tesina de especialidad aplicación de sistemas bio

TESINA DE ESPECIALIDAD
Título
APLICACIÓN DE SISTEMAS BIO-ELECTROQUÍMICOS EN HUMEDALES
CONSTRUIDOS PARA LA OBTENCIÓN DE ENERGÍA RENOVABLE DURANTE
EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES (711-TES-CA-5888)
Autor/a
LAURA MARTÍNEZ CRESPO
Tutor/a
JAUME PUIGAGUT JUÁREZ
CLARA CORBELLA VIDAL
Departamento
DEPARTAMENT D’ENGINYERIA HIDRÀULICA, MARÍTIMA I AMBIENTAL
Intensificación
ENGINYERIA SANITÀRIA I AMBIENTAL
Fecha
MAYO 2015
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
2
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
RESUMEN
Palabras clave: humedales construidos, pilas microbianas, producción eléctrica, eficiencia
coulómbica, eliminación materia orgánica.
Los humedales construidos de flujo horizontal subsuperficial son sistemas naturales para el
tratamiento de agua residual. Son sistemas que no requieren de una aportación energética ni de
productos químicos. La eliminación de los contaminantes, por tanto, es llevada a cabo por los
microorganismos presentes y mediante procesos naturales de descontaminación. Los humedales
construidos se han convertido en una alternativa a los sistemas de depuraciones convencionales
tanto para el tratamiento de aguas municipales de pequeñas poblaciones, contaminación de
sistemas agrícolas e incluso para el tratamiento de efluentes industriales.
Las pilas microbianas (MFC) son una tecnología emergente que permite la producción de energía
eléctrica a partir de la degradación de materia orgánica e inorgánica utilizando bacterias como
catalizadores. Algunos de los factores más importantes que influyen en la producción eléctrica
son el material del ánodo, la distancia entre electrodos y el volumen anódico. Muchas de las
líneas de investigación sobre las MFC han estado dirigidas a su aplicación en los tratamientos de
aguas dada la elevada concentración de materia orgánica presente.
El trabajo experimental se ha basado en maximizar la producción eléctrica y la eficiencia de las
pilas microbianas. La implantación de pilas microbianas sin membrana (MFC) en los sistemas de
tratamiento de aguas residuales naturales como humedales artificiales (CW) puede mejorar la
eficiencia del tratamiento. Sin embargo, actualmente hay una falta de información de hasta qué
punto las pilas pueden contribuir a esta mejora. El estudio se divide en dos partes diferenciadas.
La primera analiza la influencia de factores como la distancia entre electrodos y el volumen
anódico sobre el rendimiento de los sistemas. La segunda parte consiste en un estudio para
determinar la eficiencia de eliminación de materia orgánica en función del efecto de los
materiales del ánodo, la concentración de materia orgánica y la resistencia externa aplicada.
Los resultados obtenidos reflejan una relación entre producción eléctrica y distancia entre
electrodos a escala de laboratorio de
∆
∆
= −24,73 mientras que en planta piloto se obtiene
= −8,088. En el estudio de la influencia del volumen anódico se ha observado una
interacción entre la distancia y el volumen, obteniendo una relación de
caso de aumento de volumen y disminución de distancia y de
∆
∆
= 0,314 para el
= 0,0231 si el aumento de
volumen anódico va acompañado también de un incremento en la distancia entre electrodos.
Se ha evaluado la eficiencia coulómbica de las pilas, obteniendo resultados que muestran una
ligera eficiencia superior en las pilas con ánodo de grafito respecto a las pilas con ánodo de
grava. También se ha obtenido que las mayores intensidades eléctricas y eficiencias se dan para
valores de resistencia externa aplicada de entre 50 Ω y 220 Ω.
Por último, se ha constatado que, bajo condiciones de laboratorio, las pilas activas (conectadas)
eliminan entre un 20% y un 30% más de materia orgánica que las pilas inactivas (no conectadas),
para DQO total y soluble, respectivamente.
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
ABSTRACT
Keywords: constructed wetlands, microbial fuel cell, electricity production, coulombic efficiency,
organic material removal.
Subsurface flow constructed wetlands are natural systems for wastewater treatment, so they do
not require an energy input or chemicals. The microorganisms are responsible for the removal of
pollutants. Constructed wetlands have become an alternative to conventional treatment
systems for municipal water treatment, agricultural and even industrial.
Microbial Fuel Cell (MFC) is an emerging technology that allows the production of electricity
from organic and inorganic degradation using bacteria as catalysts to oxidize matter and
generate current. Some of the most important factors are the material of the anode and oxygen
availability. Many lines of research have been directed to their application in water treatment
due to the high concentration of organic matter.
The experimental work has been based on maximizing electricity production and efficiency of
membrane-less microbial fuel cells (MFC). The introduction of membrane-less microbial fuel cells
systems in natural wastewater treatment and artificial wetlands (CW) can improve the efficiency
treatment. However, there is currently a lack of information about how the MFC can contribute
to this improvement. The study is divided in two parts. The first one analyses the influence of
factors such as distance between electrodes and the anode volume. The second one consists in a
study to determine the efficiency of organic matter removal in terms of the effect of anode
materials, the concentration of organic matter and external resistance applied.
The results show a relation between electricity production and electrode distance of
−24,73 at laboratory scale while at pilot plant it was obtained
∆
∆
=
= −8,088. In the study of
the influence of the anode volume, it has been observed interaction between distance and
volume, obtaining a ratio
∆
∆
= 0,314 in case of increasing volume and decreasing distance and
= 0,0231 if the increase of anode volume is also accompanied by an increase of the
distance between electrodes.
It was evaluated the coulombic efficiency of the MFC, obtaining graphite-based electrodes
showed slightly higher coulombic efficiency than gravel-based electrodes. It has also been
obtained that electric currents and higher efficiencies are achieved for values of external
resistance applied between 50 Ω and 220 Ω.
Finally, it is demonstrated (at least under laboratory conditions) that active MFC with gravelbased anodes (connected) removes between 20% and 30% more organic matter than inactive
cells (not connected), for total and soluble COD, respectively.
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
ÍNDICE
RESUMEN (Castellano/Inglés)
1. INTRODUCCIÓN
3
10
2.
11
3.
4.
5.
OBJETIVOS
ESTADO DEL ARTE
3.1.
Los humedales construidos
3.1.1. Características de la tecnología
3.1.2. Ventajas y desventajas
3.1.3. Vías de degradación de la materia orgánica
3.2.
Las pilas microbianas
3.2.1. Características de la tecnología
3.2.2. Ventajas y desventajas
3.2.3. Producción de energía
3.2.4. Mejoras en la eficiencia de tratamiento
MATERIALES Y MÉTODOS
4.1.
Planta piloto
4.2.
MFC
4.2.1. Pilas A y B
4.2.2. Pilas 1-6
4.3.
Captación del agua residual
4.4.
Caracterización del agua residual
4.4.1. Toma de muestras
4.4.2. Determinación de la demanda química
de oxígeno (DQO)
4.4.3. Determinación de la demanda bioquímica
de oxígeno (DBO5)
4.4.4. Determinación de la cantidad de amonio
4.5.
Parámetros eléctricos
4.5.1. Intensidad y potencia (Ley de Ohm)
4.5.2. Toma de muestras
4.6.
Otra maquinaria utilizada
METODOLOGÍA
5.1.
Primer experimento: Evaluación de la eficiencia de MFCs
en función de la distancia entre ánodo y cátodo
5.2.
Segundo experimento: Evaluación de la eficiencia de MFCs
en función del volumen anódico conectado
5.3.
Tercer experimento: Evaluación de la eficiencia de
tratamiento del agua residual en función de la resistencia externa
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5
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durante el tratamiento de aguas residuales
6.
7.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1.
Efecto distancia entre ánodo y cátodo
6.1.1. Planta piloto
6.1.2. Escala laboratorio
6.1.3. Correlación distancia – voltaje
6.2.
Efecto volumen anódico
6.2.1. Efecto del volumen anódico
6.2.2. Correlación volumen anódico – voltaje
6.2.3. Interacción de la distancia entre electrodos y
el volumen anódico
6.3.
Efecto del tipo de material del ánodo en la producción
eléctrica y la eficiencia coulómbica
6.4.
Efecto de la resistencia externa aplicada en la producción
eléctrica y la eficiencia coulómbica
6.5.
Efecto de la conectividad de las pilas (activas o inactivas)
en la eliminación de materia orgánica
CONCLUSIONES
40
40
40
42
43
44
44
45
46
47
49
50
52
8.
RECOMENDACIONES
54
9.
BIBLIOGRAFÍA
55
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 3.1: Esquema de un humedal de flujo superficial (García & Corzo, 2008)
Figura 3.2: Esquema de un humedal de flujo subsuperficial (García & Corzo, 2008)
Figura 3.3: Esquema de un humedal construido de flujo subsuperficial horizontal (García &
Corzo, 2008)
Figura 3.4: Esquema de un humedal construido de flujo subsuperficial vertical (García & Corzo,
2008)
Figura 3.5: Esquema simplificado de los procesos que intervienen en la degradación de la
materia orgánica en los humedales (García & Corzo, 2008)
Figura 3.6: Principios de funcionamiento de una MFC (Logan, et al. 2006)
Figura 4.1: Esquema de la planta piloto de tratamiento de aguas residuales del DEHMA
ubicada en la ETSECCPB (imagen cedida por Clara Corbella)
Figura 4.2: Vista en alzado de las pilas A y B
Figura 4.3: Vista lateral de la pila A con todo su volumen anódico conectado
Figura 4.4: Vista lateral de una de las pilas y su bomba
Figura 4.5: Cátodo de fieltro de carbono conectado con alambre de acero inoxidable
Figura 4.6: Controladores de la bomba situada en el laboratorio
Figura 4.7: Esquema de los humedales (imagen cedida por el DEHMA)
Figura 4.8: Campbell Scientific CR1000 utilizado en las réplicas implementadas de laboratorio
Figura 4.9: Datataker DT50 Series 3 utilizado en la planta piloto
Figura 4.10: Bomba utilizada para cada una de las pilas, de la 1 a la 6
Figura 4.11: Bomba utilizada para las pilas A y B
Figura 5.1: Esquema de la posición diaria del ánodo y el cátodo para la evaluación de la
eficiencia de las MFCs en función de la distancia entre ánodo y cátodo en las réplicas de
laboratorio
Figura 5.2: Esquema de la posición diaria del ánodo y el cátodo en el primer ensayo para la
evaluación de la eficiencia de las MFCs en función del volumen anódico conectado
Figura 5.3: Esquema de la posición diaria del ánodo y el cátodo en el segundo ensayo para la
evaluación de la eficiencia de las MFCs en función del volumen anódico conectado
Figura 6.1: Producción eléctrica del humedal H3 durante el primer experimento, acortando la
distancia entre el ánodo y el cátodo de 25 a 20 cm y de 20 a 15 cm, respectivamente.
Figura 6.2: Producción eléctrica del humedal H4 durante el primer experimento, acortando la
distancia entre el ánodo y el cátodo de 25 a 20 cm y de 20 a 15 cm, respectivamente.
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
Figura 6.3: Producción eléctrica del humedal H5 durante el primer experimento, acortando la
distancia entre el ánodo y el cátodo de 25 a 20 cm y de 20 a 15 cm, respectivamente.
Figura 6.4: Producción eléctrica del humedal H6 durante el primer experimento, acortando la
distancia entre el ánodo y el cátodo de 25 a 20 cm y de 20 a 15 cm, respectivamente.
Figura 6.5: Efecto de la distancia en la producción eléctrica en las pilas de la planta piloto
Figura 6.6: Producción eléctrica de las MFC aumentando la separación entre electrodos
diariamente
Figura 6.7: Relación entre la producción eléctrica de las MFC y la distancia entre electrodos
Figura 6.8: Producción eléctrica de las MFC aumentando el volumen anódico conectado y
reduciendo la distancia entre electrodos diariamente
Figura 6.9: Producción eléctrica de las MFC aumentando el volumen anódico conectado y
aumentando la distancia entre electrodos diariamente (primer ensayo)
Figura 6.10: Producción eléctrica de las MFC aumentando el volumen anódico conectado y
aumentando la distancia entre electrodos diariamente (segundo ensayo)
Figura 6.11: Correlación entre el volumen anódico y la producción eléctrica de la pila
(disminuyendo la distancia entre electrodos)
Figura 6.12: Correlación entre el volumen anódico y la producción eléctrica de la pila
(aumentando la distancia entre electrodos)
Figura 6.13: Comparativa de la DQO total del efluente de las MFC para grava conectada y sin
conectar
Figura 6.14: Comparativa de la DQO soluble del efluente de las MFC para grava conectada y sin
conectar
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1: Comparativa entre los humedales de flujo superficial y los de flujo subsuperficial
(García & Corzo, 2008)
Tabla 3.2: Comparativa entre los humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal y
vertical (García & Corzo)
Tabla 4.1: Características de los humedales y de sus elementos
Tabla 4.2: Ensayos y número de réplicas de cada muestra en la planta piloto. (EH: muestra de
salida del Husb; HX-M: muestra del medio del humedal; HX-S: muestra de la salida del humedal)
Tabla 4.3: Ensayo y número de réplicas de cada muestra en las MFCs. (IN: muestra del agua de
entrada; PX: muestra del agua de salida en cada una de las pilas)
Tabla 5.1: Muestras obtenidas y número de réplicas para el análisis de DQO en el experimento
para la evaluación de la eficiencia de tratamiento del agua residual en función de la resistencia
externa (x= 50 Ω, 220 Ω, 402 Ω, 604 Ω, 1000 Ω)
Tabla 6.1: Producción eléctrica según el material del ánodo
Tabla 6.2: Eficiencia coulómbica de las MFC en función de su material anódico para una duración
media de 26,2 horas y una resistencia externa de 1000 Ω
Tabla 6.3: Eficiencia coulómbica de las MFC en función de su material anódico para una duración
media de 23,3 horas y una resistencia externa de 604 Ω
Tabla 6.4: Eficiencia coulómbica de las MFC en función de su material anódico para una duración
media de 24,4 horas y una resistencia externa de 402 Ω
Tabla 6.5: Eficiencia coulómbica de las MFC en función de su material anódico para una duración
media de 23,5 horas y una resistencia externa de 220 Ω
Tabla 6.6: Eficiencia coulómbica de las MFC en función de su material anódico para una duración
media de 20,9 horas y una resistencia externa de 50 Ω
Tabla 6.7: Eficiencias coulómbicas obtenidas en función de la resistencia externa y del material
anódico
Tabla 6.8: Intensidad máxima en función de la resistencia externa aplicada
Tabla 6.9: Eficiencia coulómbica en función de la resistencia externa aplicada
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
1.
INTRODUCCIÓN
La población mundial ha pasado de los casi 1000 millones en el año 1800 a los 7000 millones de
habitantes que se alcanzaron en 2011. Esto ha sido debido básicamente a la mejora en la
producción y distribución de alimentos, los avances tecnológicos y los progresos científicos,
mejorando la salud humana. Todo este crecimiento ha ido de la mano de un gran consumo de
recursos para satisfacer unas necesidades humanas que, frecuentemente, no son conscientes de
los efectos que ello puede tener sobre el medioambiente.
Esta situación ya conduce, y se agravará en mayor medida en un futuro no muy lejano, a
conflictos y competencia por la energía y los recursos entre los diferentes países que, a ciencia
cierta, llegarán a su fin al ser recursos finitos y limitados. Así pues, antes de que sea demasiado
tarde, se debería optar por una alternativa sostenible, fomentando las energías renovables y
todos los recursos que la naturaleza nos proporciona.
Es por ello que en la actualidad y durante los próximos años, las comunidades científicas y de
ingenieros se esfuerzan por aumentar la eficiencia de todos estos procedimientos, reducir la
energía de consumo, impulsar las energías renovables, encontrar nuevas fuentes de energía
sostenibles, factibles y renovables, etc.
Es en esta línea en la que se remarca la importancia de los humedales como sistemas naturales
de tratamiento de aguas residuales. Al tratarse de sistemas naturales no requieren de aportación
energética ni de componentes químicos. La depuración del agua se lleva a cabo mediante la
combinación de diferentes procesos físicos, químicos y biológicos en el interior del medio
granular del que se componen. En la última década, las pilas microbianas (Microbial Fuel Cells)
han adquirido un papel muy importante debido a su gran potencial a la hora de tratar el agua
residual generando energía eléctrica a su vez.
Por lo tanto, la aplicación teórica de esta tecnología en sustitución de las plantas de tratamiento
de aguas residuales actuales podría significar no sólo un gran ahorro monetario y energético sino
también un proceso sostenible de recuperación de energía neta. A pesar de que los grandes
progresos tecnológicos han permitido avanzar mucho al respecto, todavía hay muchas
actuaciones posibles con el fin de mejorar significativamente el rendimiento y eficiencia de las
pilas microbianas.
Así pues, el principal objetivo de esta tesina es contribuir a la investigación sobre dichas pilas
microbianas. Cualquier posible deducción extraída de este estudio, que ayude a convertir este
ecosistema en uno más sostenible, significará el logro de su objetivo.
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
2. OBJETIVOS
El principal objetivo de esta tesina es maximizar la producción eléctrica y la eficiencia de las pilas
microbianas sin membrana. Para ello, se definen los siguientes objetivos específicos:
1. Evaluar la producción eléctrica de las pilas en función de la distancia entre el ánodo y
el cátodo.
2. Evaluar la producción eléctrica de las pilas en función del volumen anódico
conectado.
3. Evaluar y comparar la producción eléctrica y la eficiencia coulómbica de las pilas en
función del tipo de material del ánodo.
4. Evaluar la producción eléctrica y la eficiencia coulómbica en función de la resistencia
externa aplicada.
5. Evaluar y comparar la eliminación de materia orgánica entre pilas activas (conectadas)
y pilas inactivas (no conectadas).
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
3. ESTADO DEL ARTE
El objetivo de este apartado es explicar, según la bibliografía, todos los elementos y términos
utilizados a lo largo de la presente tesina, tanto en la explicación de los materiales y
metodología, como en el análisis de los resultados. Así pues, funciona como base teórica del
contexto donde se enmarca el estudio realizado.
Se pueden diferenciar dos grandes bloques temáticos, los humedales construidos y las pilas
microbianas. En primer lugar, se explican las principales características de los humedales
construidos, señalando sus ventajas e inconvenientes y las vías de degradación de la materia
orgánica. Posteriormente, se realiza el mismo esquema para las pilas microbianas (MFC).
3.1. Los humedales construidos
Los humedales construidos son zonas de transición entre los sistemas acuáticos y los
terrestres. Se caracterizan por tener una elevada eficiencia debido principalmente a la gran
cantidad de luz, agua y nutrientes de la que disponen. Así pues, este hecho se traduce en una
alta tasa de crecimiento microbiano y, consecuentemente, una alta capacidad de degradación
de la materia orgánica.
Estas características han conducido al desarrollo de los humedales construidos, sistemas
naturales de tratamiento de aguas residuales que intentan imitar los ecosistemas naturales
con el objetivo de tratar aguas residuales.
Así pues, los humedales construidos o artificiales, se pueden definir como sistemas pasivos de
depuración, constituidos por lagunas o canales de profundidad inferior a un metro donde los
procesos de descontaminación tienen lugar mediante las interacciones entre el agua, el
sustrato sólido, los microorganismos, la vegetación e incluso la fauna (García & Corzo, 2008).
Dado que forman parte de los sistemas extensivos de tratamiento de aguas, las reacciones de
los mismos se producen a velocidades ambientales. Por este motivo, el tiempo de retención
hidráulica puede llegar a ser hasta 100 veces superior que en los sistemas de tratamiento
convencionales (Salas, et al., 2007).
3.1.1. Características de la tecnología
Los humedales construidos son sistemas de depuración naturales que se caracterizan por un
reducido consumo energético, una baja producción de residuos, un bajo impacto ambiental y
una buena integración con el medio natural.
En función del tipo de circulación del agua, los humedales construidos se clasifican como
humedales de flujo superficial o de flujo subsuperficial.

Humedales construidos de flujo superficial
En este caso, el agua está expuesta directamente a la atmósfera y circula principalmente a
través de las tijas y hojas de las plantas. De esta manera la depuración se produce
mediante mecanismos que suceden en el agua (FIGURA 3.1).
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
Este tipo de humedales son una modificación de las lagunas convencionales pero de
menor profundidad (no más de 60 cm) y con plantas. Desde el punto de vista paisajístico
son muy recomendables ya que permiten albergar diferentes especies de peces, anfibios,
aves, etc. Su aplicación suele estar enfocada a la mejora de calidad de los efluentes que ya
han sido tratados previamente en la depuradora.
FIGURA 3.1: ESQUEMA DE UN HUMEDAL DE FLUJO SUPERFICIAL (GARCÍA & CORZO, 2008)

Humedales construidos de flujo subsuperficial
Los humedales de flujo subsuperficial son aquellos en los que la circulación del agua se
realiza a través de un medio granular (subterránea) y en contacto con las raíces y rizomas
(tipo de tallo subterráneo que crece horizontalmente) de las plantas. La profundidad de la
lámina de agua suele estar a un nivel de entre 0,3 y 0,9 m. La biopelícula crece adherida al
medio granular y a las raíces y rizomas de las plantas y tiene un papel importante en los
procesos de descontaminación. Este tipo de humedal se puede entender como una
modificación de los sistemas clásicos de infiltración del terreno. En la FIGURA 3.2 se puede
observar un esquema de humedal de este tipo.
FIGURA 3.2: ESQUEMA DE UN HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL (GARCÍA & CORZO, 2008)
Así pues, a continuación se muestra un cuadro comparativo entre los dos tipos de humedales
según su flujo (TABLA 3.1).
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durante el tratamiento de aguas residuales
TABLA 3.1: COMPARATIVA ENTRE LOS HUMEDALES DE FLUJO SUPERFICIAL Y LOS DE FLUJO
SUBSUPERFICIAL (G ARCÍA & C ORZO , 2008)
CARACTERÍSTICA
OPERACIÓN
OLOR
INSECTOS
FLUJO SUPERFICIAL
Tratamiento de influyentes
secundarios (aguas ya tratadas por
otros medios. Ej: lagunas, biodisco,
fangos activados.)
Baja carga orgánica
Puede ser controlado
Puede ser controlado
PROTECCIÓN
TÉRMICA
Mala, las bajas temperaturas afectan
al proceso de eliminación
ÁREA
Superficies de mayor medida
COSTE
Menor
VALOR
ECOSISTEMA
Mayor valor ecológico ya que el agua
es accesible a la fauna
OPERACIÓN
Son tratamientos adicionales a los
sistemas convencionales y utilizados
para el tratamiento terciario y la
mejora de la calidad del agua
TRATAMIENTO
FLUJO SUBSUPERFICIAL
Tratamiento de influyentes
secundarios (aguas pretratadas. Ej:
tanques IMHOFF, fosas sépticas,
etc.)
Altas tasas de carga orgánica
No
No
Buena, la acumulación de restos
vegetales y el flujo subterráneo de
agua mantiene una temperatura
casi constante
Superficies de mayor medida
Mayor, debido a la
impermeabilización y al material
granular que puede llegar a
incrementar hasta un 30% el precio
Menor valor ecológico, dado que el
agua es difícilmente accesible a la
fauna
Puede utilizarse como tratamiento
secundario
En función del sentido en el que se aplica el agua en los sistemas, los humedales de flujo
subsuperficial pueden ser:
o
Humedales de flujo subsuperficial horizontal (hSSF) (FIGURA 3.3): se
caracterizan por funcionar permanentemente inundados (el agua se encuentra entre 5
y 10 cm bajo la superficie) y porque el agua circula horizontalmente. Tienen cargas
orgánicas alrededor de 6 g DBO/m2·día. La profundidad del agua es de entre 0,3 y 0,9
m.
FIGURA 3.3: ESQUEMA DE UN HUMEDAL CONSTRUIDO DE FLUJO SUBSUPERFICIAL HORIZONTAL
(GARCÍA & CORZO, 2008)
14
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
o
Humedales de flujo subsuperficial vertical (vSSF) (FIGURA 3.4): la circulación del
agua es del tipo vertical y entra en el humedal de forma intermitente, es decir, a
diferencia de los horizontales, el medio granular no está permanentemente inundado.
Su profundidad se sitúa entre 0,5 y 0,8 m. La carga de operación es de uno 20 g
DBO/m2·día.
FIGURA 3.4: ESQUEMA DE UN HUMEDAL CONSTRUIDO DE FLUJO SUBSUPERFICIAL VERTICAL
(GARCÍA & CORZO, 2008)
Así pues, la intermitencia y la inundabilidad afectan de forma significativa a la transferencia de
oxígeno y, por tanto, al estado de oxidación y reducción del humedal. Es importante destacar
que los sistemas de flujo horizontal tienen un riesgo más alto de colapsar ya que el sustrato se
puede taponar, motivo por el cual es necesario que traten agua con una cantidad menor de
material en suspensión.
En la TABLA 3.2 se muestra una comparativa entre los dos tipos de humedales subsuperficiales.
TABLA 3.2: COMPARATIVA ENTRE LOS HUMEDALES CONSTRUIDOS DE FLUJO SUBSUPERFICIAL
HORIZONTAL Y VERTICAL (G ARCÍA & C ORZO )
CARACTERÍSTICAS
FUNCIONAMIENTO
ESTADO DE OXIDACIÓN
EFICIENCIA
CARGA SUPERFICIAL
NITRIFICACIÓN
OPERACIÓN
FLUJO VERTICAL
Discontinuo
Más oxidado
Menos superficie
20-40 g DBO5/m2·día
Se consigue
Más compleja
FLUJO HORIZONTAL
Continuo
Más reducido
Más superficie
4-6 g DBO5/m2·día
Complicada
Sencilla
Además, es importante añadir que los humedales construidos permiten tratar una amplia
gama de aguas residuales (Kadlec, et al., 2000) tales como: aguas domésticas y urbanas, aguas
industriales, lixiviados de vertederos, aguas de drenaje de extracciones mineras, aguas de
escorrentía superficial agrícola y urbana y tratamiento de fangos de depuradora.
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durante el tratamiento de aguas residuales
3.1.2. Ventajas y desventajas
Dado que el estudio de la presente tesina se centra en los humedales de flujo subsuperficial,
este apartado se centrará en el análisis de las ventajas e inconvenientes de este tipo de
humedales.
Las principales ventajas de los humedales de flujo subsuperficial son:
Los humedales presentan costes de explotación inferiores que los procesos de
depuración convencionales consiguiendo la misma calidad del efluente.
Menor incidencia de malos olores debido a la naturaleza subterránea del flujo.
El hecho de que los humedales de flujo superficial reciban aguas que ya han sido
tratadas también reducen la emisión de malos olores.
Bajo riesgo de exposición directa de las personas y de aparición de insectos
gracias también al flujo subterráneo.
Protección térmica del agua debido a la acumulación de vegetales y al flujo
subterráneo manteniendo temperaturas adecuadas para el tratamiento incluso en las
épocas más frías del año.
No producen residuos sólidos biológicos o fangos que requieran un
tratamiento posterior o disposición controlada.
En cuanto a los inconvenientes más destacados:
Mayor coste de construcción debido fundamentalmente al material granular
que puede llegar a incrementar el precio hasta un 30%.
Grandes extensiones de superficies para realizar el tratamiento. Estos sistemas
necesitan una superficie de tratamiento de entre 20 y 80 veces la de los sistemas
convencionales.
Menor valor como ecosistema a causa del difícil acceso al agua.
3.1.3. Vías de degradación de la materia orgánica
Los humedales construidos de flujo subsuperficial permiten la eliminación de una gran
cantidad de contaminantes (materia orgánica, materia en suspensión, nitrógeno y fósforo)
mediante diversos mecanismos físicos, químicos y microbiológicos.
FIGURA 3.5: ESQUEMA SIMPLIFICADO DE LOS PROCESOS QUE INTERVIENEN EN LA DEGRADACIÓN DE LA
MATERIA ORGÁNICA EN LOS HUMEDALES (G ARCÍA & C ORZO , 2008)
16
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
La materia orgánica (FIGURA 3.5) se puede encontrar particulada (formando parte de la
materia en suspensión) o disuelta.

La concentración de la materia en suspensión no es constante a lo largo del
humedal dado que su eliminación se lleva a cabo básicamente en la entrada del
humedal (Cooper, et al., 1996). Concretamente, en el primer tercio del humedal se
elimina el 50% de la MES (Casellas-Osorio & García).
Por otro lado, en los humedales también se genera MES debido a mecanismos como la
sedimentación (producida debido a la baja velocidad de circulación del agua), la
descomposición de las partes subterráneas de las raíces, etc.
A pesar de todo ello, el rendimiento de eliminación de la materia en suspensión suele
ser muy elevado, superior al 90%, produciendo efluentes con concentraciones
menores a 20 mg/l (García & Corzo, 2088). Es necesario destacar que se debe vigilar el
contenido de MES en el agua residual a tratar ya que si es muy elevado (agua sin un
pretratamiento), esto puede provocar la colmatación del humedal.

La materia orgánica disuelta se elimina principalmente por procesos biológicos
realizados por las comunidades microbianas heterótrofas presentes en el humedal,
que utilizan la materia orgánica como fuente de carbono para su desarrollo. Puede
tratarse de un proceso de biodegradación aerobio o anaerobio, dependiendo de si se
produce en presencia de oxígeno disuelto o no.
La reacción aerobia genérica de degradación de la materia orgánica es la siguiente
(ECUACIÓN 1):
+6 →6
+6
[1]
La reacción anaeróbica, llevada a cabo por bacterias heterótrofas anaerobias o
facultativas, se produce en diferentes etapas: una primera etapa donde la materia
orgánica se descompone por vía facultativa en compuestos sencillos (ácido acético,
ácido láctico, etanol, gases como el CO2 y el H2); y una segunda etapa en la que otro
tipo de bacterias aprovechan los productos finales de la fermentación para continuar
el proceso de degradación (de la ECUACIÓN 2 a la ECUACIÓN 6). En función del sustrato
existente, los procesos que se llevan a cabo en esta segunda etapa son:
a) Metanogénesis:
4 +
→
+2
[2]
+4 →2
+2
[3]
b) Sulfatoreducción:
2
+
→2
+2
+2
+2
[4]
+2
→2
+2
+
[5]
c) Desnitrificación:
+2
→6
+6
+ 2 + 4 [6]
A pesar de dichos procesos, no se consigue una eliminación completa de la materia
orgánica, sobre todo en los humedales de flujo horizontal ya que, a medida que las vías
anaerobias ganan importancia, disminuye la eficiencia en la eliminación. En cambio, en
los humedales de flujo vertical se llega a mayores rendimientos de eliminación por el
predominio de las vías aerobias.
17
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durante el tratamiento de aguas residuales
La eliminación de la MO se cuantifica mediante los parámetros de demanda bioquímica de
oxígeno (DBO) y demanda química de oxígeno (DQO). Normalmente, la DBO es superior a la
DQO ya que existen más sustancias degradables químicamente que no biológicamente.
En los humedales de flujo subsuperficial se pueden alcanzar rendimientos de entre el 75 y el
95% (García & Corzo, 2008) si se diseñan, construyen y mantienen de forma adecuada. Los
efluentes producidos suelen tener una concentración de DQO inferior a 60 mg/l y de DBO
menor a 20 mg/l (Kadlec, et al., 2000).
3.2. Las pilas microbianas
Las pilas de combustible microbiano, también conocidas como Microbial Fuel Cells (MFC) son
una tecnología emergente que permite la producción de energía eléctrica a partir de la
degradación orgánica e inorgánica (Logan, et al., 2006) (Wang & Ren, 2013).
Las pilas microbianas utilizan las bacterias como catalizadores para oxidar la materia orgánica e
inorgánica y generar corriente (Logan, 2008). Los electrones producidos por la bacteria se
transfieren al ánodo (polo negativo) y fluyen hacia el cátodo (polo positivo), unido por un
material conductor. Por convención, la corriente fluye del polo positivo al negativo, en
dirección opuesta a la corriente de electrones.
3.2.1. Características de la tecnología
La pila microbiana convencional (FIGURA 3.6) está formada por dos cámaras, una anódica
biótica y una catódica abiótica, separadas por una membrana de intercambio de protones. La
materia orgánica presente en la cámara anódica es oxidada anaerobiamente produciendo
protones y electrones. Los microorganismos adjuntados al material anódico actúan como un
aceptor artificial de estos últimos (Chae, et al., 2009) (Guerrini, et al., 2013). Los electrones se
transfieren al compartimento del cátodo por un circuito externo, mientras que los protones se
transfieren al compartimento catódico a través de la membrana. En el cátodo, los electrones
se combinan con los protones y con un aceptor de electrones, tal como el oxígeno,
produciendo agua (Rabey, et al., 2007).
FIGURA 3.6: PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UNA MFC (LOGAN, ET AL., 2006)
18
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durante el tratamiento de aguas residuales
3.2.2. Ventajas y desventajas
Las pilas microbianas presentan diversas ventajas, entre las que destacan las citadas a
continuación:
o
No requieren tratamiento posterior de los gases ya que se produce dióxido de
carbono y nitrógeno gas, principalmente.
o
Operan eficientemente a temperatura ambiente e, incluso, a bajas
temperaturas (inferiores a 20ºC).
o
Presentan la posibilidad de obtener energía eléctrica directamente a partir de
un sustrato biodegradable, a diferencia de la digestión anaerobia convencional que
consiste en un proceso de dos pasos. Este hecho es una gran ventaja dado que la
combustión de biogás y la posterior conversión en electricidad es un proceso con un
bajo rendimiento en el que se malgasta el 70% de la energía contenida en el biogás
(Pham, et al., 2006).
o
Tienen aplicaciones potenciales en lugares alejados con ausencia de
infraestructuras eléctricas (Rabaey & Verstraete, 2005).
o
No es necesaria aireación ya que el cátodo puede ser aireado pasivamente.
Por el contrario, a continuación se señalan las principales desventajas que presentan las pilas
microbianas a día de hoy:
o
Se trata de una tecnología emergente y, por ello, aún presenta ciertas
limitaciones como su baja producción.
o
La tecnología actual de las MFC está muy lejos aún de su aplicación a escala
industrial, debido en parte a ciertas limitaciones en los materiales. Por un lado, el
elevado coste de los materiales, factor clave que limita la aplicabilidad de las MFC. Por
otro lado, se dispone de poca información en lo referente a la determinación de la
estabilidad de los materiales a largo plazo.
o
Dada la complejidad del tratamiento de aguas, no se puede esperar que las
MFC solucionen todos los problemas de contaminación. Su implementación tiene que
ser en combinación con otros sistemas de tratamientos existentes para obtener
mejores resultados.
3.2.3. Producción de energía
El funcionamiento de las pilas biológicas es análogo al de una pila Daniell, en la que se separan
dos compartimentos: el catódico (donde se lleva a cabo la reducción) y el anódico (donde se
lleva a cabo la reacción de oxidación), con la finalidad de producir corriente eléctrica.
El voltaje teórico de una MFC viene determinado por la diferencia entre el potencial del ánodo
y el cátodo (ECUACIÓN 7) determinados según la ecuación de Nernst (ECUACIÓN 8) (Logan, et al.,
2006).
=
Donde,
=
−
−
[7]
ln( )
[8]
19
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durante el tratamiento de aguas residuales
es el voltaje teórico de una MFC.
es el potencial del ánodo calculado según la ecuación de Nernst.
es el potencial del cátodo calculado según la ecuación de Nernst.
es el potencial corregido del electrodo.
es el potencial del electrodo en condiciones estándar (T=293K; PH=7; po2=0,2 bar).
es la constante de los gases (8,31 J·mol-1·K-1).
es la temperatura (K).
es la constante de Faraday (96485 C·mol-1).
es el número de electrones intercambiados.
es el coeficiente estequimétrico de la concentración de los productos/coeficientes
estequiométricos de la concentración de reactivos.
Dependiendo del cultivo microbiano y del sustrato orgánico, bajo condiciones típicas (T=293K;
PH=7; p02=0,2 bar), el potencial del cátodo de una pila es
= 0,805 y el del ánodo puede
ser tan bajo como
= −0,331 (Fricke, et al., 2008). Así pues, considerando la ecuación
anteriormente nombrada, el potencial teórico máximo es de 1,1 V.
Sin embargo, se producen pérdidas que se traducen en una reducción del potencial, siendo el
máximo potencial real medido 0,8 V (Logan, et al., 2006). Estas pérdidas se clasifican en:

Sobrepotencial. Normalmente depende de la corriente y puede ser clasificado
como:
- Pérdidas por activación. Tienen lugar durante la transferencia de electrones entre los
compuestos de reacción (bacterias y oxígeno) y la superficie del electrodo. Se pueden
reducir estableciendo un biofilm enriquecido en el electrodo, aumentando la
temperatura de funcionamiento o aumentando la superficie del electrodo (Logan, et
al., 2006).

Pérdidas óhmicas. Incluye la resistencia al flujo de electrones a través de los
electrodos y las interconexiones (Hoogers, 2003) (Larminie&Dicks, 2000). Pueden ser
reducidas aumentando la conductividad de la solución al máximo tolerado por la
bacteria o minimizando el espacio entre los electrodos.

Pérdidas por concentración o por transporte de masa. Se producen
principalmente en corriente de altas densidades debido a la transferencia de masa
limitada de especies químicas por difusión sobre la superficie del electrodo. Estas
pérdidas se dan cuando la tasa de transporte de masa de una especie desde o hacia el
electrodo limita la producción (Hoogers, 2003) (Larminie & Dicks, 2000).

Pérdidas por metabolismo bacteriano. Para generar energía metabólica, las
bacterias transportan los electrones desde el sustrato, con un bajo potencial, hasta el
aceptor final de electrones, con un alto potencial. En una MFC, el ánodo es el aceptor
final y su potencial determina la energía ganada por la bacteria. Cuanto mayor sea la
20
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durante el tratamiento de aguas residuales
diferencia de potenciales, mayor es el beneficio, pero menor es el voltaje alcanzado
por la MFC. Así pues, para maximizar el voltaje de la MFC, el potencial del ánodo debe
ser lo más bajo posible (negativo). Sin embargo, un potencial de ánodo demasiado
bajo inhibe el transporte de electrones y la fermentación del sustrato puede
proporcionar una energía más grande para los microorganismos (Logan, et al., 2006).
Así pues, se calculará el potencial real de una MFC (ECUACIÓN 9) como la diferencia entre el
voltaje teórico y las pérdidas debidas al sobrepotencial (del ánodo ηa y del cátodo η b) y
pérdidas óhmicas (IRΩ).
=
− (∑
+ |∑
|+
[9]
Ω)
Las curvas de polarización permiten determinar en qué medida afectan las diferentes pérdidas
a la reducción de potencial.
Por otro lado, la energía teórica generada (P) por una MFC está determinada por la ECUACIÓN
10 (Logan, et al., 2006).
= ·
[10]
De forma general, el voltaje se mide a través de una resistencia externa (Rext), donde la
corriente se calcula a partir de la ley de Ohm (ECUACIÓN 11).
=
[11]
=
[12]
Por tanto, la energía se calcula como (ECUACIÓN 12):
Por último, la energía se normaliza en función del área de ánodo proyectada (Aan) (Cheng, et
al., 2006) (Rezaei, et al., 2007) (ECUACIÓN 13).
[13]
=
De esta manera, la potencia será máxima cuando la resistencia interna y la externa se igualen
(Rint=Rext). La resistencia interna (Rint) se distribuye entre el cátodo, el ánodo y el sistema de
transporte de los electrodos (Fan, et al., 2008) y se determina de la siguiente manera
(ECUACIÓN 14), siendo Emax e Imax el voltaje y la corriente que generan la máxima energía:
[14]
=
Por otro lado, a partir de la ley de Ohm se obtiene la ECUACIÓN 15:
=
[15]
Así pues, si se considera la igualdad entre la resistencia externa y la interna, el potencial
máximo vendrá determinado por la ECUACIÓN 16:
21
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[16]
=
Por último, y consecuentemente, la energía teórica máxima generada por la MFC será
(ECUACIÓN 17):
=
=
[17]
3.2.4. Mejoras en la eficiencia de tratamiento
El rendimiento de las pilas microbianas depende de diferentes factores, que continúan en
investigación en la actualidad. Los principales son la configuración y el material de los
electrodos. A continuación se exponen los principales factores y la forma en la que afectan a la
eficiencia del tratamiento:

Material de los electrodos: Los electrodos juegan un papel fundamental,
facilitando el crecimiento del biofilm, mejorando su fijación, la oxidación del sustrato y
la transferencia de electrones de la bacteria a la superficie del electrodo (Zhou, et al.,
2011). El material ideal debe tener una alta conductividad, bajo coste, estabilidad,
biocompatibilidad y un área superficial elevada. Concretamente, los materiales del
cátodo deben tener un alto potencial redox y capturar los protones fácilmente
mientras que los del ánodo deben tener estabilidad química y ser anticorrosivos. Uno
de los principales factores limitantes de la implementación de los sistemas de MFC a
gran escala es el alto coste y la imposibilidad de reciclaje de los materiales de los
electrodos (un 20-50% del coste medio de la MFC) (Rabaey, et al., 2010) (Rozendal, et
al., 2009). El carbono es el material más usado como ánodo en los estudios actuales de
MFC.

Configuración de los electrodos: La separación entre el ánodo y el cátodo
influye en la producción de las MFC debido a que contribuye en la resistencia interna.
La distancia entre electrodos afecta a la difusión de los protones desde el ánodo y el
cátodo (Cheng, et al., 2006). Así pues, si se quiere reducir la resistencia interna es
necesario reducir la separación.

Resistencia externa: Una resistencia externa muy elevada limita la producción
eléctrica ya que limita el paso de electrones por parte de los microorganismos al
cátodo. A partir de las curvas de polarización se puede determinar la resistencia
interna y, consecuentemente, la resistencia externa óptima para obtener la máxima
producción.
Asimismo, para el caso concreto de MFC implementadas en humedales, se determinan una
serie de parámetros más, que influyen en la eficiencia de éstas.

Configuración de los electrodos respecto a la superficie el agua: Se ha
determinado que el máximo gradiente redox se obtiene cuando el cátodo se
encuentra en la superficie del humedal, en contacto directo con el aire (Corbella, et al.,
2008).

Microbacterios en las raíces: La luz solar influye significativamente en la
producción de compuestos orgánicos por parte de las raíces. Diferentes estudios han
demostrado que el sombreado artificial de las plantas durante el día inhibe la
22
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
generación de electricidad. De esta manera se confirma que el proceso de la
fotosíntesis tiene una importancia especial a la hora de generar electricidad.

Exudantes de las raíces: Diversos experimentos indican que la generación de
electricidad depende de la presencia de exudantes en las raíces (Kaku, et al., 2008),
que liberan parte de los compuestos orgánicos fotosintetizados a la rizosfera
(Marschener, 1995).

Carga orgánica: Una mayor presencia de materia orgánica dará como
resultado ambientes más reducidos, pudiendo incrementar significativamente la
diferencia de potencial respecto la zona superficial.

Otros parámetros: existen una serie de parámetros que también influyen en la
producción eléctrica y que, a día de hoy, continúan estudiándose:
o
Potencial redox: el nivel del agua, la concentración de oxígeno disuelto,
la actividad de los microorganismos, la actividad fotosintética de las plantas y
la concentración de aceptores de electrones pueden afectar este parámetro
en humedales de flujo subsuperficiales.
o
Profundidad del humedal: a mayor profundidad, la diferencia de
potencial será mayor ya que se da una menor concentración de oxígeno y,
consecuentemente, la zona del ánodo estará más reducida.
o
Disponibilidad de oxígeno en el cátodo: es necesario que el cátodo esté
en contacto con el aire ya que la presencia de oxígeno es necesaria para la
reacción de reducción en el cátodo. La disponibilidad de oxígeno es
directamente proporcional al área del cátodo.
o
Estado de madurez de las plantas: cuanto mayor sea la actividad de la
vegetación, mayor será la cantidad de oxígeno disponible y el potencial del
cátodo será más positivo.
23
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durante el tratamiento de aguas residuales
4. MATERIALES Y MÉTODOS
La metodología seguida en la presente tesina está basada en experimentos en planta piloto (subobjetivo 1) y experimentos en sistemas de laboratorios (sub-objetivos 1-5).
4.1. Planta piloto
La planta piloto está compuesta por ocho humedales de flujo subsuperficial horizontal
alimentados por un HUSB, de los cuales para la presente tesina, sólo serán utilizados cuatro.
El sistema de tratamiento de agua residual instalado en el edificio D1 de la ETSECCPB contiene
las siguientes estructuras (mostradas en la FIGURA 4.1):












Bombas de captación de agua residual en la red unitaria y colector de llegada.
Bomba de envío de agua residual a la planta de tratamiento.
Pretratamiento consistente en unas rejillas de materia gruesa.
Tanque de almacenaje de agua residual con capacidad de 1 m3.
Bombeo del caudal y conducción al tratamiento primario.
Tratamiento primario en un HUSB.
Bombeo del caudal y conducción al tratamiento secundario.
Tratamiento secundario de depuración consistente en ocho humedales construidos de
flujo subsuperficial horizontal.
Reservoirs controladores del caudal de salida de cada humedal.
Vertido al cauce público.
Bypass general de la planta.
Válvulas de paso y válvulas antiretorno en las salidas de los humedales.
1. Tanque de homogenización
2. HUSB
3. Humedal H3
4. Humedal H4
5. Humedal H5
6. Humedal H6
7. Depósitos de salida
Conductos de agua residual
Conductos de agua tratada
FIGURA 4.1: ESQUEMA DE LA PLANTA PILOTO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL DEHMA
UBICADA EN LA ETSECCPB ( IMAGEN CEDIDA POR C LARA C ORBELLA)
24
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durante el tratamiento de aguas residuales
4.2. MFC
A lo largo de la presente tesina se realizan diferentes experimentos en las réplicas
implementadas bajo condiciones de laboratorio. Encontramos dos tipologías de pilas
microbianas, de diferentes dimensiones y características, explicadas de forma más detallada a
continuación.
4.2.1. Pilas A y B
Las pilas A y B son dos réplicas con una altura de 32 cm (FIGURA 4.2). Su ánodo tiene un radio de
5 cm y una altura de unos 15 cm. Disponen de cinco conexiones anódicas (FIGURA 4.3), que
permiten aumentar o disminuir el volumen anódico en función de los intereses del estudio.
El ánodo está formado por grava envuelta en una malla de acero inoxidable mientras que el
cátodo está formado por cuatro placas de fieltro de carbono.
FIGURA 4.2: VISTA EN ALZADO DE LAS PILAS A Y B.
FIGURA 4.3: VISTA LATERAL DE LA PILA A CON TODO SU VOLUMEN ANÓDICO CONECTADO .
25
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durante el tratamiento de aguas residuales
4.2.2. Pilas 1-6
Dos de las 6 MFC (Pilas 5 y 6) se encuentran desconectadas mientras que las otras 4 MFC operan
en circuito cerrado con diferentes materiales en el ánodo.
Las pilas consisten en un cilindro de plexiglás (FIGURAS 4.4 Y 4.5) de 0,86 L de volumen en el que
se implementa un ánodo de 0,7 L de volumen.
El cátodo está formado por 4 placas de fieltro de carbono de 60 cm2 cada una (FIGURA 4.6), en
permanente contacto con el aire. El ánodo y el cátodo se separan por una fibra de vidrio de 1
cm.
En referencia al material del ánodo, 4 de las 6 pilas (Pilas 1-2 y 5-6) están compuestas por grava
de entre 0,5 y 0,7 cm de diámetro mientras que las 2 pilas restantes (Pilas 3 y 4) componen su
ánodo de barras de grafito de 1 cm de longitud y 0,5 cm de diámetro. Todo ello envuelto en una
malla de acero inoxidable (grado marino 316 L) que sirve de colector de electrones para ambos
materiales anódicos.
Tanto el ánodo como el cátodo están conectados por alambres de acero inoxidable.
FIGURA 4.4: VISTA LATERAL DE UNA DE LAS PILAS Y SU BOMBA.
26
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durante el tratamiento de aguas residuales
FIGURA 4.5: CÁTODO DE FIELTRO DE CARBONO CONECTADO CON ALAMBRE DE ACERO INOXIDABLE .
4.3. Captación del agua residual
El agua residual tratada es captada de la red unitaria del Carrer Gran Capità (al lado de la
universidad) y, por tanto, proviene de las viviendas situadas en el noreste del barrio de
Pedralbes (Barcelona).
En la planta piloto, el agua residual es captada del alcantarillado mediante dos bombas y
conducida a través de un colector al laboratorio del DEHMA. Las bombas están controladas por
un tanque de almacenaje de 1 m3 de capacidad situado en el terrado del D1. El tanque dispone
de una boya que controla el nivel del agua y que pone en funcionamiento las bombas cuando
éste se queda por debajo del nivel mínimo. En ese momento, una de las bombas trabaja durante
un minuto expulsando los sedimentos y el material formado por partículas grandes de la zona de
captación y la otra envía el agua residual a las instalaciones.
En el laboratorio del DEHMA, una tercera bomba (FIGURA 4.6) envía el agua residual al tanque de
almacenaje del terrado de 100x120x100cm. Su alimentación se lleva a cabo por la parte
superior, que está abierta para evitar procesos anaeróbicos. El tanque dispone de un aparato
mezclador fijado en la parte superior que evita la sedimentación de sólidos y, por tanto, la
posible obturación del grifo de salida situado en la parte inferior del tanque.
FIGURA 4.6: CONTROLADORES DE LA BOMBA SITUADA EN EL LABORATORIO .
27
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durante el tratamiento de aguas residuales
En la entrada del tanque de almacenaje hay instalada una rejilla de desbaste de tela metálica
con red plástica y una malla de 0.4 que evita el paso de sólidos gruesos y flotantes (hojas,
tejidos, etc.).


Bombeo y tratamiento primario: El agua almacenada en el tanque es conducida a un
HUSB (Hydrolytic Upflow Sludge Bed) donde se realiza el tratamiento primario. El HUSB
instalado en la planta piloto está constituido por un cilindro de PVC de 30 cm de
diámetro y una altura de 180 cm. Éste dispone 5 grifos para la toma de muestras
distribuidas a lo largo de su altura, estando la primera a 48 cm del suelo y el resto cada
15 cm.
Bombeo y tratamiento secundario: El tratamiento secundario se lleva a cabo en los
humedales, que consiste en la eliminación de la carga contaminante por medios
biológicos.
La planta piloto está constituida por ocho humedales de flujo subsuperficial horizontal,
plantado con Phragmites Australis (Carrizo), que se encuentran repartidos en cuatro
tanques. Cada tanque está dividido en dos partes mediante placas de PVC fijadas con
silicona. La impermeabilización de los humedales de la planta está realizada con una
membrana impermeabilizante de caucho. En el centro de cada humedal hay una
tubería de PVC de 0.20 m de diámetro perforada donde se encuentran instaladas las
MFC. En la TABLA 4.1 y la FIGURA 4.7 se pueden observar las características y elementos
de los humedales.
TABLA 4.1: CARACTERÍSTICAS DE LOS HUMEDALES Y DE SUS ELEMENTOS
ELEMENTOS
DIMENSIONES HUMEDAL
Grava
Agua
PARÁMETRO
Largo
Ancho
Altura
Superficie
Volumen
Diámetro tubería interior
Nivel
Volumen
Porosidad
Granulometría
Nivel
Volumen
Vegetación
Tipo
Membrana
Tipo
VALOR
70,5 cm
55,25 cm
39 cm
0,39 m2
0,15 m3
20 cm
35 cm
0,14 m3
0,4
D60= 7,3 mm; Cu= 0,8 mm
30 cm
0,05 m3
Phragmites Australis
(Carrizo)
Caucho sintético EPDM
vulcanizado (Giscosa)
28
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durante el tratamiento de aguas residuales
FIGURA 4.7: ESQUEMA DE LOS HUMEDALES ( IMAGEN CEDIDA POR EL
DEHMA)
El agua residual procedente del HUSB se bombea a una arqueta de distribución donde se reparte
a los ocho humedales mediante ocho bombas y ocho variadores de frecuencia diferentes que
permiten controlar el caudal de entrada de cada uno de ellos.
La entrada de agua residual se realiza mediante un único punto situado en la superficie del
humedal y la salida del efluente se realiza por un punto situado en el otro extremo y en la parte
inferior. Esta tubería está conectada con otra en forma de “L” invertida y de altura regulable que
sirve para regular el nivel de agua del humedal. Finalmente, el agua tratada se vierte a una riera.
El caudal de agua residual tratado depende de unos parámetros de diseño fijados: tiempo de
retención hidráulico (TRH) y carga orgánica en la entrada. Así pues, los humedales utilizados para
el estudio tienen un caudal de entrada de 21 l/día, con un tiempo de retención hidráulico de
2,38 días y una carga orgánica de entrada de 6,82 g DBO5·m-2·d-1.
4.4. Caracterización del agua residual
La caracterización del agua residual tiene como objetivo determinar las propiedades físicas,
químicas y biológicas del agua residual. Esta caracterización se lleva a cabo mediante los análisis
de laboratorio que, a su vez, también permiten cuantificar su rendimiento.
Para realizar esta caracterización en el estudio de la planta piloto, los parámetros analizados
semanalmente han sido:



La demanda química de oxígeno (DQO).
La demanda bioquímica de oxígeno (DBO5).
El contenido de amonio.
Mientras que en el caso de las réplicas de laboratorio, al realizarse en laboratorio, se ha
analizado exclusivamente la demanda química de oxígeno (DQO). Este análisis se ha realizado
tres veces a la semana.
De esta manera, este seguimiento continuo permite actuar sobre las MFCs en caso de mal
funcionamiento.
29
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durante el tratamiento de aguas residuales
4.4.1. Toma de muestras
Las muestras, en el caso de la planta piloto, han sido tomadas un día a la semana, justo antes de
hacer los análisis en el laboratorio. Se han determinado 9 puntos de muestreo: la salida del
HUSB (que también es la entrada de los humedales); las salidas de los humedales H3-S, H4-S, H5S, H6-S; y las tuberías centrales donde están instaladas las pilas de los humedales H3-M, H4-M,
H5-M y H6-M.
Los ensayos realizados sobre cada una de las muestras se muestran en la TABLA 4.2, donde
también se indica el número de réplicas de cada ensayo.
TABLA 4.2: ENSAYOS Y NÚMERO DE RÉPLICAS DE CADA MUESTRA EN LA PLANTA PILOTO. (EH: MUESTRA
DE SALIDA DEL HUSB ; HX-M: MUESTRA DEL MEDIO DEL HUMEDAL ; HX-S: MUESTRA DE LA SALIDA DEL
HUMEDAL )
ENSAYO
EH
H3-M
H4-M
H5-M
H6-M
H3-S
H4-S
H5-S
H6-S
Total
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Soluble
2
2
2
2
2
2
2
2
2
DBO5
1
1
1
1
1
-
-
-
-
Amonio
1
-
-
-
-
1
1
1
1
DQO
Por otro lado, en el caso de las réplicas de laboratorio, la toma de muestras se realizaba de una
manera más frecuente. De forma general, se realizaban un par de alimentaciones semanales a
las MFC, tomando muestra del agua de entrada. Asimismo, durante el experimento de la
eficiencia coulómbica (del 18 de febrero de 2015 al 26 de marzo de 2015), se realizaban de
forma sistemática toma de muestra de entrada cada 48 horas (cada vez que se alimentaba) y
toma de muestras de salida de las 6 pilas a las 24 y 48 horas de haber alimentado,
respectivamente. Cabe destacar que las muestras de salida obtenidas transcurridas 48 horas
desde su alimentación no han sido utilizadas para este estudio de manera que se optó por su
congelación (a posteriori de su filtración y acidificación) para su posible estudio futuro. Así pues,
a lo largo de dicho experimento se captaron un total de 105 muestras que, a su vez, se
convirtieron en 420, al realizarse dos réplicas por cada muestra total y soluble, respectivamente,
para el análisis de demanda química de oxígeno (DQO) del agua. En la Tabla 4.3 se puede
observar un resumen de las réplicas realizadas para cada muestra obtenida para el ensayo
realizado.
TABLA 4.3: ENSAYO Y NÚMERO DE RÉPLICAS DE CADA MUESTRA EN LAS MFC S. (IN: MUESTRA DEL AGUA
DE ENTRADA ; PX: MUESTRA DEL AGUA DE SALIDA EN CADA UNA DE LAS PILAS )
ENSAYO
DQO
IN
P1
P2
P3
P4
P5
P6
Total
2
2
2
2
2
2
2
Soluble
2
2
2
2
2
2
2
30
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
4.4.2. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO)
La demanda química de oxígeno es un parámetro utilizado para caracterizar la cantidad de
materia orgánica presente en el agua residual. La DQO representa la cantidad de oxígeno
equivalente a la del oxidante químico necesario para oxidar la materia orgánica presente en una
muestra y transformarla en dióxido de carbono y agua.
En esta tesina se han analizado tanto la DQO soluble (muestras filtradas con filtros de vidrios de
0,47 μm) como la total. En el caso de la planta piloto, las muestras de la entrada y las del
medio para la DQO total, han sido diluidas en agua desionizada.
El método utilizado para determinar la DQO ha sido el método del reflujo cerrado o método
colorimétrico. El agente oxidante de este método es el dicromato de potasio, debido a su
gran capacidad oxidante, su aplicabilidad a diferentes tipos de muestras y su facilidad de
uso.
El equipamiento necesario es: un espectrofotómetro, un bloque digestor Selecta, o
equivalente, una balanza, un agitador magnético, tubos con rosca para la micro DQO,
matraces aforados, agua desionizada, tubos de digestión, parrillas y pipetas aforadas. El
espectrofotómetro y el bloque digestor utilizados han sido un Spectronic 20D+ y un Bloc
Digest 20 Selecta, respectivamente.
El procedimiento a seguir ha sido el siguiente:
1. Elaboración de la recta de calibrado utilizando las muestras preparadas con diferentes
concentraciones de O2.
2. Preparar los tubos de digestión en la parrilla y añadirles los siguientes volúmenes en el orden
indicado a continuación:
- 2,5 ml de muestra.
- 1.5 ml de solución digestora (dicromato de potasio).
- 3,5 ml de solución de ácido sulfúrico.
3. Tapar los tubos de digestión y agitarlos para homogeneizar la muestra.
4. Introducir los tubos en el bloque digestor y dejarlos durante dos horas a 150⁰C.
5. Retirar los tubos del digestor y dejarlos enfriar hasta que estén a temperatura ambiente.
6. Leer la absorbancia de cada uno de los tubos, habiendo ajustado a cero el
espectrofotómetro con la muestra blanca (agua desionizada en lugar de muestra).
La DQO, expresada en mg de oxígeno por litro, a partir de la recta de calibración, se calcula
mediante la siguiente fórmula (ECUACIÓN 18).
=
Dónde:
(
)
(
)
[18]
Es la lectura de la absorbancia.
Es la pendiente de la recta de calibración.
31
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
Es el volumen del aforo del matraz durante la dilución de la muestra.
Es el volumen de la muestra tomada para ser diluida y utilizada en la
determinación colorimétrica.
4.4.3. Determinación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5)
La demanda bioquímica de oxígeno es un parámetro para medir la cantidad de materia
susceptible de ser consumida u oxigenada por medios biológicos que contiene una muestra
líquida. Así pues, es un coeficiente que permite determinar la cantidad de materia orgánica.
Con el fin de evitar interferencias de la materia en suspensión se han filtrado todas las muestras
con un filtro de vidrio de 0,47 μm.
El método utilizado para determinar la DBO ha sido la determinación respirométrica de la
DBO para un periodo de 5 días (DBO5). Este método se basa en la medida de la diferencia de
presión en un sistema cerrado. Los microorganismos, presentes en una muestra de agua que
contiene oxígeno, utilizan la materia orgánica biodegradable para sus procesos bioquímicos
y producen una cantidad equivalente de dióxido de carbono. Si este proceso se desarrolla en
un sistema cerrado y en presencia de una base fuerte (hidróxido de sodio o hidróxido de
potasio), ésta absorbe el dióxido de carbono, produciendo una progresiva disminución de la
presión interna del sistema. Por tanto, midiendo la presión se puede determinar la DBO.
El equipamiento a utilizar, además de los reactivos que se citan en la metodología, son los
siguientes: sensor DBO VELP, botella de vidrio ámbar 500mL, receptáculo de goma, nevera
termoregulable y aparatos de agitadores magnéticos.
El proceso que se ha seguido es el siguiente:
1. Poner en una botella un volumen de muestra de acuerdo con la escala escogida. En los
análisis llevados a cabo en esta tesina se han analizado muestras de 250 ml y, por tanto,
la escala ha sido de 250.
2. Introducir un agitador magnético en cada botella.
3. Poner 1 ml de inóculo en cada botella.
4. Llenar el receptáculo de goma de cada botella con 3 lentejas de hidróxido de sodio.
5. Colocar el sensor VELP de DBO en cada botella, enroscarlo y programarlo.
6. Introducir las botellas en el DBOmetro y dejar en agitación durante un tiempo
determinado y a 20⁰C.
7. Acabado el periodo de incubación, leer la lectura del sensor VELP.
4.4.4. Determinación de la cantidad de amonio
El procedimiento utilizado para determinar la cantidad de amonio recibe el nombre de
determinación clorométrica del amonio y está basado en el método desarrollado por Solórzano
(1969) y es conocido como método colorimétrico del Indofenol. Este procedimiento es
colorimétrico, es decir, se determina la cantidad de amonio existente en el agua mediante la
espectrofotometría.
32
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
En un medio alcalino (PH≈12, taponado con Citrato de Sodio) y en presencia de Nitroprusiato de
sodio como catalizador de la reacción, el ión amonio (NH4+) presente en la muestra es tratado
con una solución de Hipoclorito sódico para obtener Monocloramina. Ésta reacciona con el Fenol
dando Azul de Indofenol, de color azul. La intensidad del Azul de Indofenol es proporcional a la
concentración de amoniaco presente en la muestra. Esta propiedad se utiliza por su
cuantificación para espectrofotometría a una longitud de onda próxima a 640 nm.
El rango de validez de este método está entre 0 y 1 ppm N-NH4+, siendo la relación (NNH4+)/NH4+=1:1,288. El equipamiento que se ha utilizado ha sido el siguiente: espectrofotómetro
Genesys 8, de Spectronic Instruments, agitador magnético y balanza. El material necesario está
formado por: pipetas aforadas, matraz aforado, erlenmeyers, probetas y micropipetas.
El procedimiento a seguir para realizar este ensayo ha sido el mostrado a continuación:
1. Elaborar la recta de calibrado utilizando muestras preparadas con diferentes
concentraciones conocidas de N-NH4+.
2. Filtrar la muestra si fuese necesario. En los análisis llevados a cabo en la presente tesina se
han filtrado todas las muestras, con filtros de vidrio de 0,47 μm de medida de los poros.
3. Tomar 50 mL de muestra con una pipeta aforada y verterlo en un Erlenmeyer. Repetirlo con
50 mL de agua desionizada en calidad de muestra blanca.
4. Adicionar sobre la muestra los volúmenes de reactivos en el siguiente orden, agitando
después de cada adición:
- 2 mL de Nitroprusiato de sodio.
- 2 mL de Solución alcohólica de Fenol (10%).
- 5 mL de Solución Oxidante.
5. Una vez transcurrido el tiempo de reacción, 90 minutos, medir la absorbancia de la muestra.
6. Si el valor de la absorbancia de la muestra está fuera del rango válido será necesario diluir la
muestra.
Para calcular la concentración de N-NH4+ de la muestra se utiliza la siguiente expresión
(ECUACIÓN 19):
Dónde:
−
=
[19]
Es la lectura de absorbancia.
Es la pendiente de la recta de calibración.
Es el volumen del aforo del matraz durante la dilución de la muestra.
Es el volumen de la muestra tomada para ser diluida y utilizada en la
determinación colorimétrica.
En la tesina todas las muestras han sido diluidas 1:50 con el fin de estar dentro del rango de
validez del método.
33
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
4.5. Parámetros eléctricos
4.5.1. Intensidad y potencia (Ley de Ohm)
La ley de Ohm establece que la corriente eléctrica ( ) que atraviesa un circuito eléctrico es
directamente proporcional a la diferencia de potencial que hay entre sus extremos (∆ ) e
inversamente proporcional a la resistencia ( ) del circuito (ECUACIÓN 20). La potencia ( ) se
determina con la ECUACIÓN 21.
=
∆
=
∆
[20]
[21]
La potencia o la intensidad se suelen dar en función de la superficie anódica o catódica (
) con
el objetivo de poder comparar fácilmente con otras pilas, obteniéndose la densidad de potencia
(ECUACIÓN 22) y densidad de intensidad (ECUACIÓN 23).
=
4.5.2. Toma de muestras
=
[22]
[23]
La producción de las pilas se ha medido a partir del voltaje que ha sido monitorizado de forma
continua mediante un sistema de registro de datos (Datataker DT50 Series 3 para los humedales
H5 y H6; Campbell Scientific CR2000 Series para el H3 y H4 y Campbell Scientific CR1000 para las
réplicas de laboratorio) (FIGURAS 4.8 Y 4.9). En el caso de la planta piloto, las medidas han sido
registradas cada 15 minutos, mientras que en el caso de las réplicas de laboratorio se ha
monitorizado la producción eléctrica cada minuto, para obtener un registro de una manera más
precisa.
FIGURA 4.8: CAMPBELL SCIENTIFIC CR1000 UTILIZADO EN LAS RÉPLICAS IMPLEMENTADAS DE
LABORATORIO .
34
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
FIGURA 4.9: DATATAKER DT50 SERIES 3 UTILIZADO EN LA PLANTA PILOTO .
4.6. Otra maquinaria utilizada
Para el correcto funcionamiento de todo el sistema son necesarias bombas que permitan la
circulación del agua residual y, consecuentemente de la materia orgánica. Así pues se crean
circuitos cerrados (batch) en continuo funcionamiento gracias a bombas peristálticas. En el caso
de las pilas 1 a la 6, se tratan de bombas con un caudal de 2,3 l/h (FIGURA 4.10) mientras que
para el caso de las pilas A y B se utilizan bombas de 16 l/h (FIGURA 4.11).
FIGURA 4.10: BOMBA UTILIZADA PARA CADA UNA DE LAS PILAS, DE LA 1 A LA 6.
FIGURA 4.11: BOMBA UTILIZADA PARA LAS PILAS A Y B.
35
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
5. METODOLOGÍA
5.1. Primer experimento: Evaluación de la eficiencia de las MFCs en
función de la distancia entre ánodo y cátodo
Este experimento aborda el sub-objetivo 1 de la presente tesina.
Este primer experimento consta de dos partes diferentes. La primera parte se realizará en la
planta piloto y la segunda será llevada a cabo en las réplicas de laboratorio.
En la primera etapa del experimento se estudiará cómo afecta a la producción eléctrica la
reducción de la distancia entre el ánodo y el cátodo de las pilas implementadas en los
humedales construidos.
Para ello se realizarán dos cambios. En primer lugar, se reduce 5 cm la distancia entre ánodo y
cátodo y, una semana después, se reduce otros 5 cm más, es decir, acortando la distancia en 10
cm respecto a la posición inicial.
A lo largo de todo el experimento en la planta piloto, se lleva a cabo un seguimiento de la
producción eléctrica tomando datos cada 15 minutos.
Como ya se ha comentado anteriormente, la segunda etapa del experimento se realiza en las
réplicas de MFCs implementadas en el laboratorio (pilas A y B). Se lleva a cabo un seguimiento
continuo y exhaustivode la producción eléctrica de las pilas a lo largo de 5 días (120 horas) una
vez realizada la primera alimentación.
El procedimiento a seguir ha sido una alimentación con agua residual cada 24 horas,
aproximadamente, con un total de cinco alimentaciones para cada una de las pilas. Cada vez que
se alimenta, se realiza un cambio trasladando el ánodo conectado una unidad hacia abajo,
empezando en el ánodo más próximo al cátodo y acabando en el más lejano (FIGURA 5.1).
FIGURA 5.1: ESQUEMA DELA POSICIÓN DIARIA DEL ÁNODO Y EL CÁTODO PARA LA EVALUACIÓN DE LA
EFICIENCIA DE LAS MFC S EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA ENTRE ÁNODO Y CÁTODO EN LAS RÉPLICAS DE
LABORATORIO
Así pues, se ha realizado un seguimiento de la producción eléctrica tomando datos cada minuto
a lo largo de la totalidad del experimento con el objetivo de optimizar el sistema en función de la
distancia entre ánodo y cátodo.
36
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
5.2. Segundo experimento: Evaluación de la eficiencia de las MFCs en
función del volumen anódico conectado
Este experimento aborda el sub-objetivo 2 de la presente tesina.
Para evaluar la eficiencia de las pilas microbianas en función del volumen anódico conectado, se
realizará el mismo experimento de dos maneras distintas, tal y como se explica a continuación.
Este estudio, como el anterior, se lleva a cabo en las pilas A y B, descritas en el apartado 4.
Materiales y métodos.
El procedimiento a seguir, en las dos ocasiones, consta de una alimentación con agua residual
cada 24 horas, durante 5 días. A continuación, se indica brevemente la situación particular de
cada una de las pruebas:

Primer ensayo: Se inicia con un único ánodo conectado (el que se encuentra a más
distancia del cátodo), es decir, con un volumen anódico de 157 cm3. En la segunda
alimentación con agua residual, transcurridas aproximadamente 24 horas, se conecta un
ánodo más, el inmediatamente superior, obteniendo así un volumen anódico conectado
de 314 cm3. Se realiza así sucesivamente, hasta alcanzar el quinto día un volumen
anódico total de 785 cm3, transcurridos cuatro días desde el inicio del experimento. En la
FIGURA 5.2 puede observarse un esquema del procedimiento seguido.
FIGURA 5.2: ESQUEMA DELA POSICIÓN DIARIADEL ÁNODO Y EL CÁTODO EN EL PRIMER ENSAYO
PARA LA EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LAS MFC S EN FUNCIÓN DEL VOLUMEN ANÓDICO
CONECTADO

Segundo ensayo (realizado dos veces): En este caso se realizará el mismo procedimiento
que en el ensayo anterior pero esta vez se empezará por el ánodo más próximo al
cátodo, es decir, el que se encuentra a una distancia menor. Así pues, en el día 1 se tiene
conectado un volumen anódico de 157 cm3. Transcurridas unas 24 horas de esta primera
alimentación con agua residual, se vuelve a alimentar y a su vez, se conecta también el
ánodo situado inmediatamente debajo al primer ánodo conectado, obteniendo así un
volumen anódico de 314 cm3. El tercer, cuarto y quinto día, se realiza el mismo
procedimiento que anteriormente (incrementando el número de ánodos conectados),
obteniendo volúmenes conectados de 471, 628 y 785 cm3 respectivamente. La FIGURA
5.3 muestra un esquema del procedimiento seguido en este caso.
37
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
FIGURA 5.3: ESQUEMA DELA POSICIÓN DIARIA DEL ÁNODO Y EL CÁTODO EN EL SEGUNDO ENSAYO
PARA LA EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LAS MFC S EN FUNCIÓN DEL VOLUMEN ANÓDICO
CONECTADO
Finalmente, se realiza un seguimiento de la producción eléctrica tomando datos cada minuto
durante la duración total del experimento con el objetivo de optimizar el sistema en función del
volumen anódico conectado.
5.3. Tercer experimento: Evaluación de la eficiencia de tratamiento del
agua residual en función de la resistencia externa
Este experimento aborda los sub-objetivos 3, 4 y 5 de la presente tesina.
El objetivo de este estudio es determinar el efecto del material anódico, la concentración de
materia orgánica y la resistencia externa aplicado a la eficiencia de eliminación de materia
orgánica en las MFC.
El estudio se llevará a cabo en las pilas de la 1 a la 6, descritas en el apartado 4. Materiales y
métodos.
Para llevar a cabo este experimento se estudiará la eficiencia coulómbica de las pilas (ECUACIÓN
24).
∈ =
Donde:
∫
= 32 /
∫
∆
[24]
, el peso molecular del oxígeno
, la integral de la corriente en un periodo de tiempo
= 96485,3399 /
en batch
, la constante de Faraday
= 4, el número de electrones intercambiados por mol de oxígeno
, el volumen de líquido en el compartimento anódico
∆
, la cantidad de materia orgánica eliminada en un periodo de tiempo
Esta eficiencia se analizará en función de la resistencia externa, para valores de 50, 220, 402, 604
y 1000 ohms. Además, los resultados obtenidos se clasificarán también en función del material
anódico de las pilas (grava y grafito).
38
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
Así pues, para cada resistencia externa se realizarán tres alimentaciones en cada una de las pilas,
cada una de ellas cada 48 horas aproximadamente. Esto implicaría una prevista duración total
del experimento de 30 días, pero al tratarse de un ensayo experimental, con sus posibles
imprevistos, la duración se alarga a 35 días.
Este experimento requerirá, por tanto, dos seguimientos paralelos:


Por un lado se realizará un seguimiento continuo de la producción eléctrica tomando
datos cada minuto, para poder determinar así la intensidad que circula en las pilas por
unidad de tiempo, necesaria para el cálculo de la eficiencia coulómbica.
Por otro lado, se deberá analizar también la cantidad de materia orgánica que son
capaces de eliminar las pilas, dato imprescindible también para poder determinar la
eficiencia coulómbica. Para disponer de estos datos se realizará el análisis de demanda
química orgánica (DQO) del agua residual de entrada y del agua de salida de cada una de
las pilas. La TABLA 5.1 recoge la cantidad de muestras y réplicas analizadas en la
totalidad de este experimento. Asimismo, cabe destacar que pese a haberse analizado
las muestras obtenidas una vez transcurridas 24 horas de la alimentación con agua
residual, también se han tomado muestras de salida de cada una de las pilas
transcurridas 48 horas de su alimentación. Estas muestras han sido filtradas y
acidificadas, con los métodos explicados anteriormente (4. Materiales y métodos).La
tabla muestra las réplicas obtenidas para DQO total para una resistencia determinada (5
resistencias externas diferentes). Para la DQO soluble obtendríamos la misma tabla,
obteniendo de esta manera un total de 420muestras a analizar (42 muestras a analizar x
2 (DQO total y soluble)x 5 resistencias externas diferentes).
TABLA 5.1: MUESTRAS OBTENIDAS Y NÚMERO DE RÉPLICAS PARA EL ANÁLISIS DE DQO EN EL
EXPERIMENTO PARA LA EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL EN
FUNCIÓN DE LA RESISTENCIA EXTERNA ( X=50Ω,
RESISTENCIA
X
DÍA
ENTRADA
1
220Ω, 402Ω, 604Ω, 1000 Ω)
SALIDA
P1
P2
P3
P4
P5
P6
2
-
-
-
-
-
-
2
-
2
2
2
2
2
2
3
2
-
-
-
-
-
-
4
-
2
2
2
2
2
2
5
2
-
-
-
-
-
-
6
-
2
2
2
2
2
2
TOTAL MUESTRAS DQO TOTAL PARA RESISTENCIA X
42
39
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1. Efecto de la distancia entre ánodo y cátodo
6.1.1. Planta piloto
La primera fase de este experimento se lleva a cabo en las MFC implementadas en los
humedales construidos en la planta piloto. Las FIGURAS 6.1 A LA 6.4 muestran los resultados
obtenidos para los diferentes humedales, teniendo en cuenta los cambios realizados, acortando
la separación entre electrodos en 5 cm en cada actuación.
de 25 a
20
de 20 a 15
01/11/2014 0:00
01/11/2014…
02/11/2014…
03/11/2014…
04/11/2014…
05/11/2014 6:30
06/11/2014 2:45
06/11/2014…
07/11/2014…
08/11/2014…
09/11/2014…
10/11/2014 8:00
11/11/2014 4:15
12/11/2014 0:30
12/11/2014…
13/11/2014…
14/11/2014…
15/11/2014 9:30
16/11/2014 5:45
17/11/2014 2:00
17/11/2014…
18/11/2014…
19/11/2014…
20/11/2014…
21/11/2014 7:15
22/11/2014 3:30
22/11/2014…
23/11/2014…
24/11/2014…
25/11/2014…
26/11/2014 8:45
27/11/2014 5:00
Voltaje (mV)
250
200
150
100
50
0
FIGURA 6.1: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DEL HUMEDAL H3 DURANTE EL PRIMER EXPERIMENTO , ACORTANDO
LA DISTANCIA ENTRE EL ÁNODO Y EL CÁTODO DE 25 A 20 CM Y DE 20 A 15 CM , RESPECTIVAMENTE .
de 25 a 20
de 20 a 15
01/11/2014 0:00
01/11/2014 19:00
02/11/2014 14:00
03/11/2014 9:00
04/11/2014 5:15
05/11/2014 0:15
05/11/2014 19:15
06/11/2014 14:15
07/11/2014 9:15
08/11/2014 4:15
08/11/2014 23:15
09/11/2014 18:15
10/11/2014 13:15
11/11/2014 8:15
12/11/2014 3:15
12/11/2014 22:15
13/11/2014 17:15
14/11/2014 12:15
15/11/2014 7:15
16/11/2014 2:15
16/11/2014 21:15
17/11/2014 16:15
18/11/2014 11:15
19/11/2014 6:15
20/11/2014 1:15
20/11/2014 20:15
21/11/2014 15:15
22/11/2014 10:15
23/11/2014 5:15
24/11/2014 0:15
24/11/2014 19:15
25/11/2014 14:15
26/11/2014 9:15
27/11/2014 4:15
Voltaje (mV)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
FIGURA 6.2: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DEL HUMEDAL H4 DURANTE EL PRIMER EXPERIMENTO , ACORTANDO
LA DISTANCIA ENTRE EL ÁNODO Y EL CÁTODO DE 25 A 20 CM Y DE 20 A 15 CM , RESPECTIVAMENTE .
40
04/11/2014 0:00
04/11/2014 20:15
05/11/2014 16:30
06/11/2014 12:45
07/11/2014 9:00
08/11/2014 5:15
09/11/2014 1:30
09/11/2014 21:45
10/11/2014 18:00
11/11/2014 14:15
12/11/2014 10:30
13/11/2014 6:45
14/11/2014 3:00
14/11/2014 23:15
15/11/2014 19:30
16/11/2014 15:45
17/11/2014 12:00
18/11/2014 8:15
19/11/2014 4:30
20/11/2014 0:45
20/11/2014 21:00
21/11/2014 17:15
22/11/2014 13:30
23/11/2014 9:45
24/11/2014 6:00
25/11/2014 2:15
25/11/2014 22:30
26/11/2014 18:45
27/11/2014 15:00
28/11/2014 11:15
29/11/2014 7:30
30/11/2014 3:45
04/11/2014 0:00
04/11/2014 18:45
05/11/2014 13:30
06/11/2014 8:15
07/11/2014 3:00
07/11/2014 21:45
08/11/2014 16:30
09/11/2014 11:15
10/11/2014 6:00
11/11/2014 0:45
11/11/2014 19:30
12/11/2014 14:15
13/11/2014 9:00
14/11/2014 3:45
14/11/2014 22:30
15/11/2014 17:15
16/11/2014 12:00
17/11/2014 6:45
18/11/2014 1:30
18/11/2014 20:15
19/11/2014 15:00
20/11/2014 9:45
21/11/2014 4:30
21/11/2014 23:15
22/11/2014 18:00
23/11/2014 12:45
24/11/2014 7:30
25/11/2014 2:15
25/11/2014 21:00
26/11/2014 15:45
27/11/2014 10:30
28/11/2014 5:15
29/11/2014 0:00
29/11/2014 18:45
30/11/2014 13:30
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
350
300
250
200
150
100
50
0
de 25 a 20
300
250
de 25 a 20
de 20 a 15
FIGURA 6.3: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DEL HUMEDAL H5 DURANTE EL PRIMER EXPERIMENTO , ACORTANDO
LA DISTANCIA ENTRE EL ÁNODO Y EL CÁTODO DE 25 A 20 CM Y DE 20 A 15 CM , RESPECTIVAMENTE .
de 20 a 15
200
150
100
50
0
FIGURA 6.4: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DEL HUMEDAL H6 DURANTE EL PRIMER EXPERIMENTO , ACORTANDO
LA DISTANCIA ENTRE EL ÁNODO Y EL CÁTODO DE 25 A 20 CM Y DE 20 A 15 CM , RESPECTIVAMENTE .
Así pues, se escogen los humedales H4 y H6 como los más representativos. El objetivo es analizar
el efecto de aumentar o reducir la distancia entre el ánodo y el cátodo. Para ello se establece el
gráfico mostrado en la FIGURA 6.5, que indica la relación que se establece entre la producción de
la pila y la distancia entre electrodos.
41
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
160
140
Voltaje (mV)
120
100
80
60
y = -8,0887x + 254,61
R² = 0,9487
40
20
0
14
16
18
20
22
24
26
Distancia ánodo - cátodo (cm)
FIGURA 6.5: EFECTO DE LA DISTANCIA EN LA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA EN LAS PILAS DE LA PLANTA PILOTO.
Tal y como muestra el gráfico, es evidente que existe una relación inversa entre la producción
eléctrica y la distancia. Por tanto, a medida que reducimos la distancia entre los electrodos de la
pila, la producción eléctrica de ésta aumenta siguiendo la siguiente relación:
∆
= −8,088
Es decir, que por cada centímetro que reducimos entre el ánodo y el cátodo, incrementamos la
producción eléctrica en 8,088 mV.
6.1.2. Escala laboratorio
La segunda fase del experimento se lleva a cabo en las pilas implementadas bajo condiciones de
laboratorio. En este caso, sin embargo, la separación entre ánodo y cátodo de las MFC se irá
aumentando a lo largo del experimento. La FIGURA 6.6 muestra los resultados obtenidos.
600
Voltaje (mV)
500
400
PA
300
PB
200
100
0
26/01
27/01
28/01
29/01
30/01
31/01
01/02
FIGURA 6.6: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DE LAS MFC AUMENTANDO LA SEPARACIÓN ENTRE ELECTRODOS
DIARIAMENTE .
42
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
Se puede observar una clara disminución de la producción eléctrica a medida que se aumenta la
separación entre el ánodo y el cátodo. Para realizar un análisis más detallado se realiza un
gráfico que relaciona la producción eléctrica de las MFC con la separación entre ánodo y cátodo
(FIGURA 6.7).
600
Voltaje (mV)
500
400
300
y = -24,738x + 732,41
R² = 0,9592
200
100
0
9
11
13
15
17
19
21
Distancia ánodo - cátodo (cm)
FIGURA 6.7: RELACIÓN ENTRE LA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DE LAS MFC Y LA DISTANCIA ENTRE
ELECTRODOS
Asimismo, se puede concluir una tendencia lineal (de ecuación y=-24,73x + 732,4) que muestra
la relación inversa entre la separación entre electrodos y la producción eléctrica de las pilas
microbianas.
De la misma manera que en la planta piloto, se establecerá la unidad de medida que relaciona la
producción con la separación entre electrodos. Se obtiene que por cada centímetro que
reducimos entre el ánodo y el cátodo, el voltaje producido aumenta en 24,73 mV.
∆
= −24,73
6.3. Correlación distancia – voltaje
Finalmente, se compararán y discutirán los resultados obtenidos en la planta piloto y en
laboratorio.
A continuación, se muestra un resumen de los resultados para cada uno de los casos:
∆
=
−8,088;
−24,73;
Así pues, se observa que el efecto de la distancia a escala de laboratorio es tres veces mayor que
el observado en continuo, en la planta piloto. Esto es debido a las alteraciones externas que
sufren las pilas en el caso de la planta piloto, sometidas a una serie de factores incontrolables,
como son las condiciones meteorológicas variables, que alteran los resultados notablemente. A
diferencia, las réplicas de laboratorio se encuentran bajo unas condiciones de entorno estables,
permitiendo una mayor sensibilidad a los cambios, como puede observarse en la producción
eléctrica en función de la distancia entre electrodos.
43
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
6.2. Efecto del volumen anódico
6.2.1. Efecto del volumen anódico
Como ya se ha comentado en el apartado 5. Metodología, el experimento se realiza en dos fases
distintas: una primera en la que se va aumentando el volumen anódico conectado y reduciendo
la distancia entre ánodo y cátodo a la vez, y una segunda fase (que se repite en dos ocasiones)en
el que se realiza el mismo procedimiento de ir aumentando el volumen anódico pero esta vez
aumentando la distancia entre los electrodos (FIGURAS 6.8 A 6.10).
600
Voltaje (mV)
500
400
PA
300
PB
200
100
0
01/02
03/02
05/02
07/02
09/02
11/02
FIGURA 6.8: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DE LAS MFC AUMENTANDO EL VOLUMEN ANÓDICO CONECTADO Y
REDUCIENDO LA DISTANCIA ENTRE ELECTRODOS DIARIAMENTE .
600
Voltaje (mV)
500
400
300
PA
200
PB
100
0
02/03
03/03
04/03
05/03
06/03
07/03
08/03
FIGURA 6.9: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DE LAS MFC AUMENTANDO EL VOLUMEN ANÓDICO CONECTADO Y
AUMENTANDO LA DISTANCIA ENTRE ELECTRODOS DIARIAMENTE ( PRIMER ENSAYO ).
44
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
600
Voltaje (mV)
500
400
PA
300
PB
200
100
0
18/03
19/03
20/03
21/03
22/03
23/03
24/03
25/03
FIGURA 6.10: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DE LAS MFC AUMENTANDO EL VOLUMEN ANÓDICO CONECTADO Y
AUMENTANDO LA DISTANCIA ENTRE ELECTRODOS DIARIAMENTE ( SEGUNDO ENSAYO ).
Así pues, la FIGURA 6.8 muestra cómo aumenta la producción eléctrica a medida que se
incrementa el volumen anódico conectado. El último tramo del gráfico es debido a un corte en el
suministro eléctrico.
En el caso de la FIGURA 6.9 se puede observar que los resultados no son significativos ya que
cada réplica se comporta de manera diferente.
Por último, en la FIGURA 6.10 se puede observar que la producción eléctrica de las MFC alcanza
máximos diarios muy similares a pesar de los cambios realizados en el volumen anódico.
6.2.2. Correlación volumen anódico – voltaje
A la hora de establecer una correlación entre el volumen anódico y la producción eléctrica de la
pila, se sintetizarán los resultados obtenidos en el primer ensayo del segundo experimento, es
decir, para el aumento de volumen anódico y la reducción de distancia. Cabe destacar, que en la
relación obtenida no sólo influye el volumen anódico sino que también se está teniendo en
cuenta el efecto de la reducción de distancia entre electrodos.
Así pues, se obtiene la relación mostrada en la FIGURA 6.11. En ella se observa la superposición
de los efectos de aumentar el volumen anódico y reducir la distancia entre electrodos,
cumpliendo la siguiente relación:
∆
= 0,314
De manera que por cada cm3 conectado que aumentamos en el volumen anódico, aumenta la
producción eléctrica en 0,314 mV.
45
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
600
Voltaje (mV)
500
400
300
y = 0,3147x + 220,21
R² = 0,9632
200
100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Volumen anódico (cm3)
FIGURA 6.11: CORRELACIÓN ENTRE EL VOLUMEN ANÓDICO Y LA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DE LA PILA
(DISMINUYENDO LA DISTANCIA ENTRE ELECTRODOS)
6.2.3. Interacción de la distancia entre electrodos y el volumen anódico
Resulta muy interesante estudiar la interacción entre la distancia y el volumen anódico, ya que al
realizar el segundo experimento se observa que sus efectos interfieren entre ellos. Así pues, en
la segunda fase se tiene que:


Por un lado, se está aumentando el volumen anódico de las pilas, hecho que tal y como
se ha visto, provoca un aumento de la producción eléctrica.
Por otro lado, a la vez, se está aumentando la distancia entre el ánodo y el cátodo. Esto
provoca una disminución de la producción eléctrica, como ya se ha comentado en el
apartado 6.1. Efecto de la distancia entre ánodo y cátodo.
Así pues, los efectos de una acción contrarrestan los de la otra. Cabe destacar que pese a la
inestabilidad de los valores obtenidos en la producción eléctrica (hecho que provoca en algunos
casos una desviación estándar notable), se observa una línea de tendencia de pendiente
bastante horizontal (m= 0,0231) (véase FIGURA 6.12).
Esto se traduce en que el aumento en la producción eléctrica provocado por el incremento de
volumen anódico se ve prácticamente anulado si no va acompañado de una disminución de la
distancia entre electrodos.
Por tanto, para el caso concreto de aumento de volumen anódico y aumento de distancia entre
electrodos, se obtiene la siguiente relación:
∆
= 0,0231
46
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
480
470
Voltaje (mV)
460
450
440
y = 0,0231x + 434,94
R² = 0,4177
430
420
410
400
100
200
300
400
500
Volumen anódico
600
700
800
(cm3)
FIGURA 6.12: CORRELACIÓN ENTRE EL VOLUMEN ANÓDICO Y LA PRODUCCIÓN ELÉCTRICA DE LA PILA
(AUMENTANDO LA DISTANCIA ENTRE ELECTRODOS )
6.3. Efecto del tipo de material del ánodo en la producción eléctrica y la
eficiencia coulómbica
El tercer experimento explicado en el apartado 5. Metodología aborda los sub-objetivos 3, 4 y 5.
Así pues, entre otros, pretende analizar el efecto del tipo de material anódico en la producción
eléctrica y la eficiencia coulómbica.
Por tanto, el grafito supone un aumento del 5,6% en la producción eléctrica de las pilas, respecto
a pilas con ánodo de grava.
TABLA 6.1: PRODUCCIÓN ELÉCTRICA SEGÚN EL MATERIAL DEL ÁNODO
PRODUCCIÓN (mV)
GRAVA
319,72
GRAFITO
338,80
A continuación se muestran los resultados obtenidos para cada una de las resistencias externas
(1000 Ω, 604 Ω, 402 Ω, 220 Ω y 50 Ω), con un valor de eficiencia promedio entre los obtenidos
para cada uno de los días (TABLAS 6.2 HASTA 6.6).
47
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
TABLA 6.2: EFICIENCIA COULÓMBICA DE LAS MFC EN FUNCIÓN DE SU MATERIAL ANÓDICO PARA UNA
DURACIÓN MEDIA DE 26,2 HORAS Y UNA RESISTENCIA EXTERNA DE 1000 Ω.
1000 Ω
Intensidad por
tiempo (A·s)
ΔDQO (mg O2/L)
EFICIENCIA (%)
GRAVA
GRAFITO
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
24,87
33,29
38,38
24,18
26,63
24,56
0,16
2,54
0,13
4,22
4,19
0,11
5,81
0,15
2,68
0,12
3,70
3,30
0,12
3,52
TABLA 6.3: EFICIENCIA COULÓMBICA DE LAS MFC EN FUNCIÓN DE SU MATERIAL ANÓDICO PARA UNA
DURACIÓN MEDIA DE 23,3 HORAS Y UNA RESISTENCIA EXTERNA DE 604 Ω.
604 Ω
Intensidad por
tiempo (A·s)
ΔDQO (mg O2/L)
EFICIENCIA (%)
GRAVA
GRAFITO
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
35,66
51,6626
41,35
41,26
36,90
41,40
0,19
3,13
0,20
4,18
4,17
0,13
5,21
0,20
3,50
0,21
2,98
3,74
0,15
4,73
TABLA 6.4: EFICIENCIA COULÓMBICA DE LAS MFC EN FUNCIÓN DE SU MATERIAL ANÓDICO PARA UNA
DURACIÓN MEDIA DE 24,4 HORAS Y UNA RESISTENCIA EXTERNA DE 402 Ω.
402 Ω
Intensidad por
tiempo (A·s)
ΔDQO (mg O2/L)
EFICIENCIA (%)
GRAVA
GRAFITO
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
51,25
60,89
24,61
41,18
53,32
53,04
0,26
3,32
0,17
6,08
3,78
0,21
1,92
0,25
2,70
0,13
6,57
4,53
0,20
4,33
TABLA 6.5: EFICIENCIA COULÓMBICA DE LAS MFC EN FUNCIÓN DE SU MATERIAL ANÓDICO PARA UNA
DURACIÓN MEDIA DE 23,5 HORAS Y UNA RESISTENCIA EXTERNA DE 220 Ω.
220 Ω
Intensidad por
tiempo (A·s)
ΔDQO (mg O2/L)
EFICIENCIA (%)
GRAVA
GRAFITO
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
41,84
62,21
79,11
52,14
67,19
74,91
0,16
4,25
0,26
4,04
5,29
0,17
7,58
0,18
4,84
0,26
4,24
5,61
0,16
7,75
48
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
TABLA 6.6: EFICIENCIA COULÓMBICA DE LAS MFC EN FUNCIÓN DE SU MATERIAL ANÓDICO PARA UNA
DURACIÓN MEDIA DE 20,9 HORAS Y UNA RESISTENCIA EXTERNA DE 50 Ω.
GRAVA
50 Ω
Intensidad por
tiempo (A·s)
ΔDQO (mg O2/L)
EFICIENCIA (%)
GRAFITO
DIA 1
DIA 2
DIA 3
DIA 1
DIA 2
DIA 3
90,37
84,58
70,30
69,08
84,25
101,10
0,24
6,23
0,42
3,32
5,01
0,21
5,47
0,23
4,94
0,43
3,26
5,65
0,19
8,77
Finalmente, se puede observar que el grafito como material anódico implica una eficiencia
coulómbica ligeramente mayor que en el caso de la grava. Sin embargo, este incremento podría
no compensar el mayor coste del material (véase TABLA 6.7).
TABLA 6.7: EFICIENCIAS COULÓMBICAS OBTENIDAS EN FUNCIÓN DE LA RESISTENCIA EXTERNA Y DEL
MATERIAL ANÓDICO .
RESISTENCIA
MATERIAL
GRAVA
GRAFITO
1000 Ω
4,19 %
3,30 %
604 Ω
4,17 %
3,74 %
402 Ω
3,78 %
4,53 %
220 Ω
5,29 %
5,61 %
50 Ω
5,01 %
5,65 %
PROMEDIO
4,49%
4,57%
6.4. Efecto de la resistencia externa aplicada en la producción eléctrica y
la eficiencia coulómbica
El tercer experimento también aborda dar respuesta al cuarto objetivo específico, evaluando la
producción eléctrica y la eficiencia coulómbica en función de la resistencia externa aplicada.
En primer lugar, se analizará la intensidad máxima según la resistencia externa aplicada (TABLA
6.8). Se puede observar que el caso de intensidad máxima (1,72 mA) se da para una resistencia
externa aplicada de 220Ω.
49
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
TABLA 6.8: INTENSIDAD MÁXIMA EN FUNCIÓN DE LA RESISTENCIA EXTERNA APLICADA
RESISTENCIA (Ω) INTENSIDAD MÁXIMA (mA)
1000
0,43
604
0,63
402
0,76
220
1,72
50
1,49
Finalmente, se puede observar que las eficiencias coulómbicas más altas se dan para las
resistencias externas menores, pudiendo suponer que entre estos valores (alrededor de 100 Ω)
se encontrará la resistencia externa que optimizará el sistema (véase TABLA 6.9).
TABLA 6.9: EFICIENCIA COULÓMBICA EN FUNCIÓN DE LA RESISTENCIA EXTERNA APLICADA
RESISTENCIA (Ω) EFICIENCIA (%)
1000
3,74
604
3,95
402
4,16
220
5,45
50
5,33
6.5. Efecto de la conectividad de las pilas (activas o inactivas) en la
eliminación de materia orgánica
Tal y como se explicaba en el apartado 5.Metodología, otro de los objetivos del tercer
experimento es determinar el efecto de la conectividad de las pilas en la eliminación de materia
orgánica.
Para evaluar dicho efecto, se comparará el comportamiento en pilas de grava activas
(conectadas) e inactivas (no conectadas).
En primer lugar se analiza la cantidad de materia orgánica efluente obtenida, según la demanda
química de oxígeno total y soluble, respectivamente (FIGURAS 6.13 Y 6.14).
50
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
DQO efluente (mg/L)
DQO TOTAL
300
1000Ω
200
0
402Ω
604Ω
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
50Ω
220Ω
Grava conectada
Grava no conectada
9 10 11 12 13 14 15
Día
FIGURA 6.13: COMPARATIVA DE LA DQO TOTAL DEL EFLUENTE DE LAS MFC PARA GRAVA CONECTADA Y
SIN CONECTAR .
DQO SOLUBLE
DQO efluente (mg/L)
200
1000Ω
150
Grava
conectada
100
604Ω
50
0
402Ω
0
1
2
3
4
5
220Ω
6
7
8
50Ω
Grava no
conectada
9 10 11 12 13 14 15
Día
FIGURA 6.14: COMPARATIVA DE LA DQO SOLUBLE DEL EFLUENTE DE LAS MFC PARA GRAVA CONECTADA Y
SIN CONECTAR .
Así pues, se puede observar que tanto para el caso de DQO total, como para el de soluble, las
cantidades de materia orgánica en las muestras de salida indican una mayor eficiencia de
eliminación en el caso de las réplicas de grava conectada (pilas activas).
Asimismo, se puede concluir que el hecho de tener conectada la MFC, en el caso de grava como
material anódico, supone un incremento de la eficiencia de eliminación de materia orgánica en
más del 20 y 30% para el caso de DQO total y soluble, respectivamente.
51
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
7. CONCLUSIONES
Una vez concluida la presente tesina, se pueden determinar una serie de factores que maximizan
la producción eléctrica y la eficiencia de las pilas microbianas sin membrana, objetivo principal
del estudio.
Así pues, se extraen las siguientes conclusiones, relativas a cada uno de los objetivos específicos
planteados en el apartado 2. Objetivos.
Objetivo 1
En la presente tesina se ha constatado que existe una relación inversa entre la distancia de los
electrodos y la producción eléctrica de las pilas.


En el caso de la planta piloto, se establece la relación
A escala de laboratorio, la relación establecida es
∆
∆
= −8,088.
= −24,73.
Por tanto, por cada centímetro que se reduce la distancia entre el ánodo y el cátodo, se
incrementa la producción eléctrica en 8,088 y 24,73 mV para el caso de la planta piloto y el
laboratorio, respectivamente.
De la misma manera, se ha observado que la misma acción tiene un efecto tres veces mayor a
escala de laboratorio que en la planta piloto, debido a las condiciones externas a las que está
sometida esta última.
Objetivo 2
A lo largo del estudio se ha constatado que existe una relación directa entre el volumen anódico
y la producción eléctrica de las pilas.
A la hora de establecer una relación entre estos dos parámetros, se distinguirá entre los
siguientes casos.

Aumento del volumen anódico y disminución de la distancia entre electrodos. En este
caso los efectos de las dos acciones se suman, contribuyendo a un aumento en la
producción eléctrica de

∆
= 0,314.
Aumento del volumen anódico y aumento de la distancia entre electrodos. Por el
contrario, en este caso, el efecto de cada una de estas acciones contrarresta el de la
otra, llegando casi a la anulación del efecto global. Se establece así una relación de
∆
= 0,0231.
Por tanto, el aumento en la producción eléctrica provocado por el incremento de volumen
anódico se ve prácticamente anulado si no va acompañado de una disminución de la distancia
entre electrodos.
52
Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
Objetivo 3
Una vez finalizada la tesina, se concluye que el material del ánodo influye de manera significativa
en la producción eléctrica pero no en la eficiencia coulómbica de las pilas.


Las pilas con ánodo de grafito tienen una producción eléctrica un 5,6% mayor que las
pilas de ánodo de grava.
La eficiencia coulómbica obtenida para las pilas de ánodo de grava y grafito es de 4,5% y
4,6% respectivamente.
Así pues, se puede concluir que el coste más elevado del grafito que de la grava no compensa el
rendimiento de éste, tal y como muestran los resultados obtenidos.
Objetivo 4
En el presente estudio se ha determinado que la resistencia externa aplicada influye
notablemente en la producción eléctrica y en la eficiencia coulómbica.


Las intensidades máximas se dan para resistencias externas de 220Ω y 50Ω con 1,7 y 1,5
mA respectivamente.
Las mayores eficiencias coulómbicas se dan cuando se conectan resistencias externas de
220Ω (5,5%) y 50Ω (5,3%).
Se concluye que para resistencias externas altas (de 400 a 1000Ω) la producción eléctrica y la
eficiencia coulómbica de las pilas es muy baja, siendo óptimas en valores de resistencias situadas
entre 220Ω y 50Ω, tal y como se ha constatado en el estudio.
Objetivo 5
A lo largo de la tesina se determina la influencia de la conectividad de las pilas en la eliminación
de materia orgánica, en pilas con ánodo de grava. Se extraen las siguientes conclusiones:



Las pilas activas (conectadas) son eficientemente superiores a las pilas inactivas (no
conectadas).
En el caso de DQO total, las pilas activas eliminan un 20% más de materia orgánica que
las inactivas.
En el caso de DQO soluble, las pilas activas eliminan un 30% más de materia orgánica
que las inactivas.
Este resultado supone un gran avance a la hora de optimizar las pilas implementadas en
humedales construidos. Su inconveniente principal es la necesidad de grandes extensiones para
realizar el tratamiento, pero los resultados obtenidos concluyen que si se trata de pilas activas
(conectadas) se puede reducir esta superficie en un 20% y obtener la misma eliminación de
materia orgánica. Todo ello se traduce en un gran ahorro económico, llegando a un ahorro de
más de 15.000€ para el caso de un humedal artificial de 100 m 2.
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
8. RECOMENDACIONES
Los resultados obtenidos en lo referente a eliminación de materia orgánica en pilas activas son
muy significativos. Es por ello que se recomienda dar un paso de escala y comprobar que dichos
resultados obtenidos a escala de laboratorio se confirman a gran escala.
Por otro lado, ya se ha determinado que la resistencia externa aplicada que optimiza el sistema
está en valores entre 50Ω y 220 Ω, así que sería recomendable realizar una curva de polarización
para determinar de manera exacta cuál es el valor de la resistencia externa aplicada que
maximiza el sistema.
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Aplicación de sistemas bio-electroquímicos en humedales construidos para la obtención de energía renovable
durante el tratamiento de aguas residuales
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